Plat Bipolar: "tulang belakang" dan "lebuh raya" sel bahan api

Dalam dunia dalaman yang kompleks dan rumit a sel bahan api, jika pemasangan elektrod membran adalah "jantung" yang bertanggungjawab untuk penjanaan kuasa, maka plat bipolar ialah "tulang belakang" yang menyokong keseluruhan struktur bateri dan "lebuh raya" yang memastikan aliran lancar elemen mengekalkan hayat.

Komponen yang kelihatan mudah ini, sebenarnya, kritikal dalam menentukan output kuasa, kecekapan, dan jangka hayat timbunan sel bahan api. Ia bukan sekadar bahagian struktur tetapi komponen teras yang mengintegrasikan pelbagai fungsi seperti pengagihan medan aliran, pengaliran elektrik, dan pengaliran haba. Dari perspektif material, pembangunan plat bipolar telah melalui peringkat yang berbeza, masing-masing mempunyai kelebihan dan kelemahannya yang jelas. Bahan terawal yang digunakan secara meluas ialah grafit. Grafit menawarkan kekonduksian elektrik yang sangat baik dan rintangan kakisan yang luar biasa, menjadikannya sangat sesuai untuk menahan cabaran jangka panjang persekitaran berasid di dalam sel bahan api.

Walau bagaimanapun, kerapuhan yang wujud menjadikan plat bipolar grafit terdedah kepada kerosakan semasa pemprosesan dan pemasangan. Selain itu, untuk mencapai sesak gas yang mencukupi, ia selalunya perlu dibuat agak tebal, yang mengehadkan ketumpatan kuasa isipadu timbunan sel bahan api. Untuk mengatasi kelemahan ini, plat bipolar logam muncul, terutamanya menggunakan keluli tahan karat atau aloi titanium. Kelebihan terbesar plat bipolar logam terletak pada kekuatan mekanikalnya yang tinggi dan kekonduksian elektrik dan haba yang luar biasa, membolehkannya dibuat sangat nipis, dengan itu menjadikan susunan sel bahan api lebih padat dan mencapai ketumpatan kuasa yang lebih tinggi. Walau bagaimanapun, logam menghadapi cabaran kakisan yang teruk dalam persekitaran operasi sel bahan api. Setelah terhakis, bukan sahaja rintangan sentuhan meningkat, mengurangkan kecekapan, tetapi larut lesap ion logam juga boleh meracuni pemangkin.

Oleh itu, salutan tahan kakisan, seperti emas, platinum, atau salutan berasaskan karbon, mesti digunakan pada permukaan, yang sudah pasti meningkatkan kos pembuatan dan kerumitan proses. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, plat bipolar bahan komposit telah menjadi hala tuju penyelidikan baharu. Ini biasanya dibuat dengan mencampurkan pengisi konduktif seperti grafit atau karbon hitam dengan resin polimer (seperti polipropilena) dan dibentuk melalui pengacuan suntikan. Mereka menggabungkan rintangan kakisan grafit dengan kebolehacuan plastik, memudahkan pengeluaran besar-besaran dan menawarkan kelebihan dalam pemberat ringan. Walau bagaimanapun, kekonduksian elektrik dan kekuatan mekanikalnya secara amnya adalah perantaraan antara grafit dan logam, mewakili kompromi penting dalam teknologi semasa. Mod operasi plat bipolar ialah paradigma multitasking selari, dan fungsinya boleh diringkaskan dalam tiga aspek. Fungsi utama adalah untuk menyalurkan gas reaktan. Melalui saluran aliran yang dimesin dengan tepat pada satu sisi, serupa dengan "lebuh raya" kecil, ia menyalurkan bahan api hidrogen secara sekata ke lapisan pemangkin anod dan oksidan (oksigen dari udara) ke lapisan pemangkin katod, memastikan keseluruhan kawasan tindak balas mengambil bahagian dengan cekap dalam penjanaan kuasa. Pada masa yang sama, reka bentuk saluran aliran ini sangat saintifik: mereka mesti memastikan pengedaran gas seragam, mengelakkan zon mati, dan juga mengeluarkan air yang dihasilkan oleh tindak balas dengan berkesan untuk mengelakkan "banjir" yang boleh menyekat saluran. Fungsi teras kedua ialah mengumpul dan mengalirkan arus elektrik. Plat bipolar bertindak seperti pengumpul arus, mengumpul arus elektrik yang dihasilkan oleh setiap pemasangan elektrod membran (sel tunggal), dan secara bersiri menyambungkan sel melalui sifat konduktifnya sendiri, akhirnya mengeluarkan voltan dan kuasa yang diperlukan. Kekonduksian elektrik bahannya secara langsung menentukan kehilangan rintangan dalaman dalam proses ini. Peranan utama ketiga ialah pelesapan haba dan pengurusan air.

Tindak balas sel bahan api menjana haba; plat bipolar, berfungsi sebagai laluan pengaliran haba, perlu mengeluarkan haba ini dengan segera untuk mengekalkan timbunan dalam julat suhu operasi yang sesuai. Sementara itu, air yang dijana di katod dikeluarkan sebahagiannya oleh aliran udara yang berlebihan, dan reka bentuk medan aliran dan rawatan hidrofilik/hidrofobik plat bipolar adalah penting untuk penyingkiran air ini dengan berkesan. Oleh itu, prestasi plat bipolar secara langsung menentukan kecekapan keseluruhan timbunan sel bahan api.

Plat bipolar yang ideal mesti mencapai keseimbangan optimum antara kekonduksian dan rintangan kakisan, kekuatan dan kenipisan, aliran gas dan pengurusan air, kos pembuatan dan hayat perkhidmatan. Sama ada diperbuat daripada grafit, logam atau bahan komposit, matlamat pembangunan tetap sama: untuk menyokong prospek pengkomersilan sel bahan api yang lebih luas dengan kos yang lebih rendah dan prestasi yang lebih dipercayai. Boleh dikatakan bahawa setiap kemajuan dalam teknologi plat bipolar adalah langkah penting ke arah penggunaan sel bahan api yang meluas.