Przewodnik po rynku płytek bipolarnych i elastycznych grafitowych płyt bipolarnych

Jakie są Płyty bipolarne ?

Płytki bipolarne to przede wszystkim elementy strukturalne i funkcjonalne rdzenia ogniw elektrochemicznych Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEM). i akumulatory przepływowe. Każda płytka jednocześnie styka się z anodą jednego ogniwa i katodą sąsiedniego ogniwa, łącząc je elektrycznie szeregowo, fizycznie oddzielając gazy reagujące. W wodorowym ogniwie paliwowym PEM płytki bipolarne spełniają trzy jednoczesne funkcje: rozprowadzają wodór i tlen przez obrobione maszynowo lub formowane kanały pola przepływowego, przewodzą elektrony między ogniwami oraz usuwają ciepło i wodę powstałe w wyniku reakcji elektrochemicznej.

Płytki bipolarne odpowiadają 60–80% całkowitej masy i w przybliżeniu 30–40% całkowitego kosztu stosu ogniw paliwowych PEM, co sprawia, że dobór materiałów i metoda produkcji są dominującymi czynnikami wpływającymi na wydajność stosu, trwałość i opłacalność komercyjną. Idealny materiał na płyty bipolarne łączy w sobie wysoką przewodność elektryczną, niską przepuszczalność gazów, dużą odporność na korozję w kwaśnym środowisku elektrolitów (pH 2–4), wystarczającą wytrzymałość mechaniczną, aby wytrzymać ściskanie zespołu, oraz wystarczająco niską gęstość, aby spełnić docelowe wartości grawimetrycznej gęstości mocy w zastosowaniach transportowych.

Materiały stosowane w produkcji płytek bipolarnych

W produkcji płyt bipolarnych konkurują trzy główne kategorie materiałów, z których każda oferuje wyraźne kompromisy w zakresie przewodności, wagi, odporności na korozję, możliwości produkcyjne i kosztów.

Grafit obrobiony maszynowo pozostaje punktem odniesienia w zastosowaniach laboratoryjnych i stacjonarnych, gdzie koszt i waga są drugorzędne w stosunku do spójności wydajności. Płyty metalowe — tłoczona cienko stal nierdzewna z powłoką PVD lub złotem — dominują w stosach ogniw paliwowych w samochodach (Toyota Mirai, Hyundai NEXO), ponieważ dzięki ich wysokiej wytrzymałości mechanicznej płyty są tak cienkie jak 0,1–0,2 mm , umożliwiając tworzenie kompaktowych stosów o dużej gęstości mocy. Elastyczne kompozyty grafitowe i polimerowe zajmują centralne miejsce w stacjonarnym wytwarzaniu energii, zasilaniu rezerwowym i wschodzących rynkach elektrolizerów.

Elastyczne płyty dwubiegunowe z grafitu: właściwości i produkcja

Grafit elastyczny — zwany także grafitem ekspandowanym lub grafitem eksfoliowanym — wytwarza się poprzez interkalację naturalnego grafitu płatkowego kwasem siarkowym lub azotowym, a następnie szybkie podgrzanie go do temperatury powyżej 800°C. Szok termiczny powoduje, że warstwy grafitu rozszerzają się prostopadle do płaszczyzny podstawowej o współczynnik 200–400× , tworząc wermikularną strukturę przypominającą harmonijkę, którą można sprasować na rolkach w gęste, samoprzylepne arkusze folii bez żadnego spoiwa polimerowego.

Ta niezawierająca spoiwa kompozycja jest kluczowym wyróżnikiem. Kompozyty grafitowe związane polimerem zawierają 20–40% wagowych żywicy, która zmniejsza przewodność i wprowadza fazę organiczną, która może ulec degradacji w warunkach utleniających wewnątrz ogniwa paliwowego. Natomiast elastyczny arkusz grafitowy jest 99% czystego węgla , zapewniając mu stabilność chemiczną w pełnym zakresie pH roboczego ogniw paliwowych PEM i akumulatorów przepływowych, a także stabilność termiczną do ponad 450°C w atmosferach nieutleniających.

Metody formowania pola przepływu

Kanały rozprowadzające gazy reagentów na powierzchni zespołu elektrody membranowej (MEA) można uformować z elastycznego grafitu w kilku procesach:

• Formowanie tłoczne – najczęstsza metoda. Obrobiona maszynowo stalowa matryca wciska wzór kanałów w elastyczny arkusz grafitowy pod wpływem ciepła i ciśnienia. Czasy cykli wynoszące 1–3 minuty umożliwiają produkcję umiarkowanych wielkości.
• Tłoczenie rolkowe — proces ciągły z wykorzystaniem grawerowanych wałków do odciskania geometrii kanałów na arkuszach blachy. Nadaje się do produkcji wielkoseryjnej i profili o spójnych przekrojach.
• Obróbka CNC — wykorzystywane do prac prototypowych i małych serii, gdzie inwestycja w oprzyrządowanie do formowania nie jest uzasadniona. Wolniejsze i bardziej oszczędne niż formowanie, ale zapewnia maksymalną elastyczność projektowania.

Kluczowym wyzwaniem produkcyjnym w przypadku elastycznego grafitu jest jego przewodnictwo anizotropowe : przewodność w płaszczyźnie (równoległej do powierzchni arkusza) jest znacznie wyższa niż przewodność w płaszczyźnie (prostopadle do powierzchni). Ponieważ prąd przepływa płaszczyzną w stosie ogniw paliwowych, niezbędna jest optymalizacja gęstości sprężonego materiału i rezystancji styku powierzchniowego. Płyty są zazwyczaj prasowane do gęstości 1,0–1,3 g/cm3 , o wyższej gęstości poprawiającej przewodność w płaszczyźnie, ale zmniejszającą ściśliwość, która pozwala płycie dostosować się do nieregularności powierzchni MEA.

Elastyczny rynek płyt dwubiegunowych grafitowych: rozmiar, wzrost i czynniki napędzające

Światowy rynek płytek bipolarnych wyceniono na ok 1,2–1,5 mld dolarów w 2023 r i przewiduje się, że będzie rosnąć według złożonej rocznej stopy wzrostu (CAGR) wynoszącej 18–24% do 2030 r., napędzany głównie przez zwiększenie skali wykorzystania ogniw paliwowych PEM w transporcie, energetyce stacjonarnej i produkcji wodoru w drodze elektrolizy. Na tym szerszym rynku elastyczne płyty bipolarne z grafitu mają znaczący udział w segmentach zasilania stacjonarnego i rezerwowego, gdzie ich odporność na korozję, prostota produkcji i brak kosztownych powłok powierzchniowych zapewniają przewagę kosztową w porównaniu z alternatywami metalowymi.

Kluczowe czynniki rynkowe

• Ekspansja gospodarki wodorowej — rządowe strategie wodorowe w UE (REPowerEU), USA (ulgi podatkowe na produkcję wodoru wynikające z ustawy o redukcji inflacji), Japonii, Korei Południowej i Chinach napędzają wdrażanie ogniw paliwowych na skalę, która pięć lat temu była marginalna z komercyjnego punktu widzenia. Każdy megawat zainstalowanej mocy PEM wymaga setek do tysięcy płyt bipolarnych.
• Skalowanie elektrolizera — Elektrolizery PEM do produkcji zielonego wodoru wykorzystują płytki dwubiegunowe o podobnych wymaganiach materiałowych jak ogniwa paliwowe, ale w innych warunkach pracy (wyższe napięcie, wydzielanie tlenu na anodzie). W niektórych prognozach rynek elektrolizerów rośnie szybciej niż rynek ogniw paliwowych, tworząc równoległy popyt na materiały na płyty grafitowe.
• Wdrożenie baterii przepływowej — wanadowe akumulatory przepływowe redoks (VRFB) i inne systemy chemii przepływowej wykorzystują płytki dwubiegunowe do oddzielania przedziałów elektrolitu. Odporność elastycznego grafitu na elektrolit wanadowy (silnie kwasowy i utleniający) sprawia, że ​​jest to preferowany materiał do zastosowań związanych z długotrwałym magazynowaniem w połączeniu z wytwarzaniem energii odnawialnej.
• Presja na redukcję kosztów płyt metalowych — chociaż w branży motoryzacyjnej dominują tłoczone blachy metalowe, ich wymagania dotyczące powłok antykorozyjnych na bazie metali z grupy platyny lub złota zwiększają koszty, nad którymi producenci pracują, aby wyeliminować. Prowadzi to do ciągłej oceny alternatyw na bazie grafitu w segmentach innych niż motoryzacja, w których gęstość mocy stosu jest mniej krytyczna.

Krajobraz regionalny

Azja i Pacyfik – na czele z Chinami, Japonią i Koreą Południową – posiada największy udział w obecnych mocach produkcyjnych płytek dwubiegunowych, wspieranych przez pionowo zintegrowane łańcuchy dostaw ogniw paliwowych. Same Chiny wyznaczyły cele krajowe na ponad 50 000 pojazdów z wodorowymi ogniwami paliwowymi do 2025 r. i intensywnie inwestuje w krajowe przetwarzanie materiału grafitowego zarówno na płyty bipolarne, jak i anody akumulatorowe. Europa to najszybciej rozwijający się rynek pod względem zainstalowanej mocy elektrolizerów, a projekty takie jak Europejski Sojusz na rzecz Czystego Wodoru zwiększają popyt. Ameryka Północna skaluje się głównie do zastosowań w energetyce stacjonarnej, transporcie ciężkim (Hyzon, Nikola, Plug Power) i zastosowaniach obronnych.

Kluczowi uczestnicy branży działający w segmencie elastycznych płyt bipolarnych z grafitu i grafitu kompozytowego to SGL Carbon, Toray Industries, Dana Incorporated, Schunk Carbon, Mersen i GrafTech International. Kilka z tych firm jest jednocześnie producentami materiałów i wytwórcami płyt, co zapewnia im przewagę w zakresie integracji pionowej w miarę skali wielkości.

Wyzwania techniczne i kierunki rozwoju

Pomimo dużej dynamiki rynku, elastyczne płyty bipolarne z grafitu stoją przed kilkoma wyzwaniami technicznymi i komercyjnymi, które kształtują obecne priorytety badawczo-rozwojowe:

• Przepuszczalność gazu przy małej grubości — ponieważ projektanci zmniejszają grubość blachy poniżej 1 mm, aby zmniejszyć objętość stosu, przenikanie wodoru przez arkusz grafitowy staje się problemem dotyczącym niezawodności. Impregnacja żywicą lub cienkie powłoki barierowe mogą złagodzić przepuszczalność, ale ponownie wprowadzić fazy polimerowe, które pogarszają stabilność chemiczną materiału.
• Kruchość mechaniczna — elastyczny arkusz grafitowy jest kruchy w kierunku przelotowym i podatny na rozwarstwianie w wyniku powtarzających się cykli termicznych lub nieprawidłowej obsługi montażowej. Laminaty kompozytowe — cienki, elastyczny grafit połączony z podłożem z włókna węglowego lub polimeru — są opracowywane w celu poprawy łatwości obsługi bez utraty przewodności.
• Poprawa przewodności w płaszczyźnie — osiągnięcie przewodności w płaszczyźnie powyżej 100 S/cm przy komercyjnie opłacalnych gęstościach sprężonych pozostaje wyzwaniem z zakresu nauki o materiałach aktywnych. Wśród badanych podejść znajdują się dodatki nanopłytek grafitu zorientowanego i protokoły obróbki cieplnej.
• Skalowanie wydajności produkcyjnej — formowanie kanałów pola przepływu poprzez formowanie tłoczne zapewnia akceptowalną wydajność w warunkach laboratoryjnych, ale utrzymanie tolerancji wymiarowych ± 0,05 mm w seriach produkcyjnych na dużą skalę wymaga precyzyjnego oprzyrządowania i kontroli procesu, co zwiększa koszty przy obecnej skali produkcji.

Cele techniczne Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych dotyczące płyt bipolarnych wyznaczają docelowy opór elektryczny w płaszczyźnie poniżej 10 mΩ·cm² oraz gęstość prądu korozyjnego poniżej 1 µA/cm² — kryteria, które elastyczny grafit z natury spełnia pod względem korozji, ale można je osiągnąć jedynie przy starannej optymalizacji gęstości i obróbki powierzchni pod kątem rezystywności. Spełnienie obu wymagań jednocześnie w płycie o grubości poniżej 1 mm będzie głównym wyzwaniem inżynieryjnym dla tego segmentu na najbliższe pięć lat.

Płytki bipolarne w bateriach przepływowych i elektrolizerach

Chociaż ogniwa paliwowe PEM cieszą się największym zainteresowaniem w przypadku płyt dwubiegunowych, komponent odgrywa równie kluczową rolę w dwóch sąsiadujących technologiach elektrochemicznych, które charakteryzują się własnymi trajektoriami znacznego wzrostu rynku.

Baterie przepływowe Redox wanadowe

W VRFB płytki bipolarne oddzielają dodatnie i ujemne półogniwa i muszą wytrzymywać ciągłą ekspozycję na pięciotlenek wanadu w kwasie siarkowym — jeden z bardziej agresywnych chemicznie elektrolitów stosowanych w komercyjnych magazynach energii. Zarówno elastyczne kompozyty grafitowe, jak i kompozyty węglowo-polimerowe sprawdzają się tutaj dobrze, przy czym elastyczny grafit jest preferowany ze względu na brak faz polimerowych, które wanad może ulegać degradacji oksydacyjnej. Wdrożenia VRFB do długotrwałego magazynowania energii na skalę sieciową (rozładowanie 4–12 godzin) reprezentują rosnący strumień zapotrzebowania na płyty dwubiegunowe, który jest w dużej mierze niezależny od gospodarki wodorowej , zapewniając dywersyfikację rynku producentom płyt grafitowych.

Elektrolizery PEM

Elektrolizery PEM pod przyłożonym napięciem rozdzielają wodę na wodór i tlen, pracując przy wyższych gęstościach prądu (2–3 A/cm²) i wyższych potencjałach anod niż ogniwa paliwowe. Środowisko wydzielania tlenu na anodzie jest silnie utleniające, co eliminuje większość płytek na bazie grafitu po stronie anody — obecnie standardem jest tytan z powłokami platynowymi lub irydowymi. Jednakże strona katodowa (wydzielanie wodoru) jest łagodniejsza i w niektórych konstrukcjach w zastosowaniach po stronie katody stosowane są płyty na bazie grafitu. Ponieważ producenci elektrolizerów dążą do redukcji kosztów, płyty grafitowe po stronie katody stanowią prawdziwą szansę komercyjną, szczególnie w przypadku instalacji o mocy megawatów, gdzie koszt materiału na jednostkę powierzchni jest znaczny.