Як постачальник графітових біполярних пластин я був свідком складного взаємозв’язку між старінням і продуктивністю цих важливих компонентів. Графітові біполярні пластини мають важливе значення в паливних елементах, вони служать інтерфейсом між електродами та зовнішнім контуром, одночасно сприяючи розподілу реагентів і видаленню продуктів. Розуміння впливу старіння на графітові біполярні пластини є життєво важливим для забезпечення - довгострокової надійності та ефективності систем паливних елементів.
Фізичні та хімічні зміни під час старіння
Одним із основних ефектів старіння графітових біполярних пластин є зміна їх фізичної структури. З часом вплив важких умов експлуатації паливного елемента може призвести до появи мікротріщин і пор у графітовому матеріалі. Ці фізичні зміни часто є результатом термічного циклу, механічного впливу та хімічних реакцій. Наприклад, багаторазове розширення та звуження графіту через коливання температури під час роботи паливного елемента може спричинити внутрішні напруги, які зрештою призведуть до утворення тріщин.
З хімічної точки зору старіння також може викликати зміни в графітових біполярних пластинах. Кисле середовище в паливному елементі з протонообмінною мембраною (PEMFC), яке зазвичай містить сірчану або фосфорну кислоту, може реагувати з поверхнею графіту. Це може призвести до окислення графіту з утворенням оксидів графіту. Утворення цих оксидів не тільки змінює хімічний склад поверхні біполярної пластини, але також впливає на її електропровідність. Окислений графіт має вищу стійкість порівняно з чистим графітом, що може знизити загальну ефективність паливного елемента.
Вплив на електропровідність
Електропровідність є критичною властивістю графітових біполярних пластин. У міру старіння пластин їх електропровідність має тенденцію до зменшення. Мікротріщини та пори, що утворюються під час старіння, можуть порушити безперервні шляхи провідності всередині графіту. Крім того, утворення оксидів графіту на поверхні ще більше перешкоджає потоку електронів. Зменшення електропровідності може призвести до збільшення внутрішнього опору паливного елемента, що призведе до зниження вихідної потужності. Це особливо проблематично в програмах, де потрібна висока - щільність потужності, наприклад, у системах автомобільних паливних елементів.
Щоб проілюструвати цю думку, розглянемо комірку паливних елементів із зістареними графітовими біполярними пластинами. Підвищений опір у біполярних пластинах спричиняє падіння напруги на стеці, що означає, що менше електричної енергії доступне для зовнішнього використання. Це не тільки знижує ефективність паливного елемента, але й може призвести до перегріву, оскільки надлишок енергії розсіюється у вигляді тепла. Перегрів може ще більше прискорити процес старіння біполярних пластин та інших компонентів паливних елементів, створюючи порочне коло.
Вплив на газопроникність
Іншим істотним ефектом старіння графітових біполярних пластин є зміна газопроникності. У паливному елементі біполярні пластини відповідають за рівномірний розподіл газів-реагентів (таких як водень і кисень) по електродах. Однак у міру старіння пластин утворення мікротріщин і пор може збільшити газопроникність. Це викликає занепокоєння, оскільки це може призвести до перетину газу, коли гази-реагенти витікають з одного боку паливного елемента на інший.
Газовий кросовер має кілька негативних наслідків. По-перше, це знижує ефективність паливного елемента, витрачаючи гази-реагенти. По-друге, це може викликати утворення змішаних потенціалів на електродах, що може пошкодити шари каталізатора та знизити їх активність. У крайніх випадках перехід газу може навіть призвести до займання газів-реагентів, створюючи загрозу безпеці.
Механічна цілісність
На механічну цілісність графітових біполярних пластин також впливає старіння. Розвиток мікротріщин і пор послаблює міцність конструкції плит. Це може зробити їх більш сприйнятливими до механічних пошкоджень, таких як поломка або деформація, під час механічних навантажень, які виникають під час складання, експлуатації та транспортування паливних елементів.
Наприклад, під час складання блоку паливних елементів біполярні пластини часто стискаються між електродами та іншими компонентами. Якщо пластини були ослаблені внаслідок старіння, вони можуть тріснути або зламатися під дією сили стиснення. Подібним чином вібрації та удари під час транспортування також можуть спричинити пошкодження старих біполярних пластин.
Змочуваність поверхні
Змочуваність поверхні є важливою властивістю графітових біполярних пластин, оскільки вона впливає на управління водою в паливному елементі. Вода є побічним продуктом електрохімічних реакцій у паливному елементі, і правильне управління водою має вирішальне значення для підтримки ефективності елемента. Коли графітові біполярні пластини старіють, їх поверхнева змочуваність може змінюватися.
Окислення поверхні графіту під час старіння може збільшити гідрофільність пластин. Хоча певний ступінь гідрофільності є корисним для видалення води, надмірна гідрофільність може призвести до затоплення водою газових каналів. Заливання водою може блокувати потік газів-реагентів, знижуючи ефективність паливного елемента. З іншого боку, якщо поверхня стає надто гідрофобною через накопичення забруднювачів під час старіння, краплі води можуть бути не в змозі ефективно видалити з поверхні, що також спричиняє проблеми з продуктивністю.
Пом'якшення наслідків старіння
Як постачальник графітових біполярних пластин, ми постійно досліджуємо та розробляємо стратегії пом’якшення наслідків старіння. Одним із підходів є використання графітових матеріалів високої - якості з кращою стійкістю до окислення та механічного впливу. Наприклад, графітовий патрон і графітові опорні опори, виготовлені з передових графітових матеріалів, можуть запропонувати покращену продуктивність і довговічність.
Поверхнева обробка також може бути застосована до біполярних пластин для підвищення їх стійкості до старіння. Покриття графітової поверхні захисним шаром може запобігти окисленню та зменшити утворення мікротріщин. Крім того, вдосконалення конструкції біполярних пластин може допомогти зменшити механічні навантаження, які вони відчувають під час роботи. Наприклад, використання більш гнучкої конструкції може врахувати теплове розширення та звуження, не викликаючи надмірного навантаження.
Важливість регулярного моніторингу
Регулярний моніторинг графітових біполярних пластин необхідний для виявлення ранніх ознак старіння. Відстежуючи такі параметри, як електрична провідність, газопроникність і механічна цілісність, можна передбачити, коли може знадобитися заміна пластин. Цей проактивний підхід може допомогти запобігти неочікуваним збоям і забезпечити - довгострокову надійність системи паливних елементів.
Висновок
Підсумовуючи, старіння має глибокий вплив на графітові біполярні пластини, впливаючи на їх електропровідність, газопроникність, механічну цілісність і змочуваність поверхні. Ці зміни можуть значно знизити продуктивність і надійність систем паливних елементів. Як постачальник ми прагнемо надавати високоякісні графітові біполярні пластини - та розробляти рішення для пом’якшення наслідків старіння.
Якщо ви зацікавлені в придбанні графітових біполярних пластин або обговорюєте, як вирішити проблеми старіння ваших систем паливних елементів, ми запрошуємо вас зв’язатися з нами для придбання та подальших обговорень. Наша команда експертів готова надати вам найкращі рішення відповідно до ваших конкретних потреб.
Список літератури
Ларміні Дж. та Дікс А. (2003). Пояснення систем паливних елементів. Джон Вайлі та сини.
Барбір, Ф. (2013). Паливні елементи PEM: теорія і практика. Elsevier.
Чжан Дж. і Чжао Т. С. (2007). Управління водою в паливних елементах з протонною обмінною мембраною. Journal of Power Sources, 167(2), 484 - 494.