Optimiser la rentabilité de la fabrication de plaques bipolaires métalliques

Qu'est-ce qu'une plaque bipolaire ?

Les plaques bipolaires sont des composants essentiels des électrolyseurs pour le processus d'électrolyse, qui consiste à séparer l'eau en hydrogène et en oxygène. Ces plaques sont minutieusement usinées avec des champs d'écoulement ou des canaux complexes qui, lorsqu'elles sont empilées, facilitent le flux d'électrons, font circuler les gaz de manière uniforme, gèrent les conditions thermiques et maintiennent l'intégrité structurelle.

Plaques bipolaires en métal ou en graphite ?

Les deux matériaux les plus courants pour la production de plaques bipolaires sont le graphite et le métal. Le choix dépend de facteurs tels que les conditions d'utilisation, la durabilité, le coût et les exigences de performance.

Plaques bipolaires en graphite

Les plaques bipolaires en graphite sont connues pour leur excellente conductivité électrique et leur résistance à la corrosion, ce qui les rend idéales pour les piles à combustible à membrane d'échange de protons (PEMFC) en raison de leur capacité à résister aux environnements acides. Cependant, elles présentent des limites, notamment des coûts de production élevés et des délais d'exécution prolongés en raison de méthodes d'usinage complexes telles que le moulage par compression ou l'extrusion. Les plaques de graphite sont également confrontées à des problèmes de fragilité et de fissuration.

Plaques bipolaires métalliques

Les plaques d'écoulement métalliques, fabriquées à partir de matériaux tels que l'acier inoxydable et le titane, offrent une conductivité et une résistance élevées, et conviennent à divers types d'électrolyseurs ou de piles à combustible, notamment les PEMFC et les piles à combustible à oxyde solide (SOFC). Bien qu'elles soient sensibles à la corrosion, les revêtements permettent de résoudre ce problème, et leur rentabilité par rapport aux plaques en graphite favorise leur utilisation généralisée.

Technologies traditionnelles de fabrication de plaques bipolaires métalliques

En tant qu'alternative plus rentable au graphite, les plaques bipolaires métalliques peuvent être fabriquées par divers procédés d'usinage traditionnels et avancés, notamment l'estampage, l'hydroformage et la découpe photochimique.

Emboutissage de plaques bipolaires métalliques

L'emboutissage utilise des outils spécialisés pour donner à la tôle la forme souhaitée. Il est populaire en raison de sa rapidité et de sa rentabilité dans la production en volume. Toutefois, les ingénieurs peuvent être confrontés à des difficultés telles que les coûts initiaux élevés de l'outillage, les frais d'entretien des matrices, les limites de la conception et les contraintes résiduelles.

Hydroformage de plaques bipolaires métalliques

L'hydroformage utilise un outil métallique et une émulsion eau-huile à haute pression pour façonner les tôles avec précision. Il offre des avantages tels que la réduction des coûts d'outillage, la variation et l'amélioration de la répétabilité par rapport aux plaques produites mécaniquement. Toutefois, il peut s'avérer difficile d'obtenir la planéité des plaques.

Découpe photochimique de plaques bipolaires métalliques

La découpe photochimique, également connue sous le nom de découpe chimique, est un procédé polyvalent et précis d'usinage de la tôle. Il utilise des agents de découpe chimique pour dissoudre sélectivement les canaux d'écoulement, surmontant ainsi les limites des techniques d'usinage traditionnelles. Cette méthode présente des avantages, mais peut être plus coûteuse pour les volumes très élevés si les coûts initiaux de mise en place de l'outillage dur sont justifiés.

Comparaison des coûts de production

Outillage et mise en place

Contrairement à l'emboutissage et à l'hydroformage qui utilisent un outillage dur, la découpe chimique offre une solution rentable pour la production de plaques bipolaires métalliques. L'outillage numérique réduit les coûts d'installation et de production, ce qui en fait la méthode idéale pour le prototypage et l'approvisionnement flexible.

Qualité et intégrité

La découpe chimique maintient l'intégrité structurelle des plaques bipolaires métalliques, éliminant les problèmes associés aux plaques embouties et hydroformées. Elle évite les bavures ou les contraintes mécaniques, ce qui garantit des plaques de haute qualité aux propriétés matérielles inaltérées.

Complexité des canaux d'écoulement

La découpe chimique utilise un outil numérique pour imprimer des canaux d'écoulement sur le métal, ce qui permet une complexité de conception illimitée. La précision est comparable à celle des techniques traditionnelles, permettant d'obtenir des canaux d'une profondeur de 0,025 mm sur une largeur de 0,050 mm.

Délais d'exécution

Alors que l'emboutissage et l'hydroformage permettent de raccourcir les délais d'approvisionnement en plaques de production, la fabrication des outils peut prendre plusieurs mois. L'outillage par découpe numérique améliore l'efficacité en réduisant les délais d'outillage et de prototypage, et en rationalisant les modifications de conception. Avec la découpe chimique, les plaques bipolaires métalliques peuvent être livrées dans un délai d'une à deux semaines après réception des données techniques.

Épaisseur et polyvalence

La découpe photochimique s'adapte à pratiquement tous les métaux et permet de produire des plaques bipolaires métalliques d'une épaisseur allant de 0,01 mm à 2,5 mm et de dimensions allant jusqu'à 1 500 mm x 600 mm. Les méthodes conventionnelles telles que l'emboutissage et l'hydroformage sont limitées par certains types et épaisseurs de métaux, ce qui restreint les options de matériaux pour les ingénieurs.

Conclusion

Les plaques bipolaires peuvent représenter jusqu'à 80 % du coût d'une pile d'électrolyseurs, les options métalliques s'avérant souvent plus rentables que le graphite. Cette rentabilité peut encore être améliorée grâce à des technologies d'usinage avancées, telles que la technique de découpe chimique, qui permet de réaliser des conceptions complexes avec une grande précision et des délais d'exécution réduits. Contrairement aux méthodes d'usinage traditionnelles, la découpe chimique évite les contraintes mécaniques et les bavures, ce qui permet d'obtenir des plaques de meilleure qualité et plus fiables pour les applications avancées.