Optymalizacja opłacalności produkcji metalowych płytek bipolarnych

Czym są płytki bipolarne?

Płyty bipolarne są kluczowymi komponentami elektrolizerów w procesie elektrolizy, rozszczepiania wody na wodór i tlen. Płyty te są misternie obrobione ze złożonymi polami przepływu lub kanałami, które po ułożeniu w stos ułatwiają przepływ elektronów, równomiernie cyrkulują gazy, zarządzają warunkami termicznymi i utrzymują integralność strukturalną.

Metalowe czy grafitowe płytki bipolarne?

Dwa najpopularniejsze materiały do produkcji płyt bipolarnych to grafit i metal. Wybór zależy od takich czynników jak warunki pracy, trwałość, koszt i wymagania dotyczące wydajności.

Grafitowe płytki bipolarne

Grafitowe płytki bipolarne znane są z doskonałej przewodności elektrycznej i odporności na korozję, dzięki czemu idealnie nadają się do ogniw paliwowych z membraną protonowymienną (PEMFC) ze względu na ich odporność na kwaśne środowisko. Mają one jednak ograniczenia, w tym wysokie koszty produkcji i wydłużony czas realizacji ze względu na złożone metody obróbki, takie jak formowanie tłoczne lub wytłaczanie. Płyty grafitowe borykają się również z kruchością i pękaniem.

Metalowe płytki bipolarne

Metalowe płyty przepływowe, wykonane z materiałów takich jak stal nierdzewna i tytan, oferują wysoką przewodność i wytrzymałość, odpowiednią dla różnych typów elektrolizerów lub ogniw paliwowych, w tym PEMFC i stałotlenkowych ogniw paliwowych (SOFC). Choć są podatne na korozję, powłoki rozwiązują tę kwestię, a ich opłacalność w porównaniu z płytami grafitowymi napędza ich powszechne stosowanie.

Tradycyjne technologie produkcji metalowych płytek bipolarnych

Jako bardziej opłacalna alternatywa dla grafitu, metalowe płytki bipolarne mogą być wytwarzane za pomocą różnych tradycyjnych i zaawansowanych procesów obróbki, w tym tłoczenia, hydroformowania i trawienia fotochemicznego.

Tłoczenie metalowych płyt bipolarnych

Tłoczenie wykorzystuje specjalistyczne matryce narzędziowe do kształtowania płyty w pożądany projekt komponentu. Metoda ta jest popularna ze względu na szybkość i opłacalność w produkcji seryjnej. Inżynierowie mogą jednak napotkać wyzwania, takie jak wysokie początkowe koszty oprzyrządowania, koszty konserwacji matryc, ograniczenia projektowe i naprężenia szczątkowe.

Hydroformowanie metalowych płyt dwubiegunowych

Hydroformowanie wykorzystuje metalowe narzędzie i wysokociśnieniową emulsję wodno-olejową do dokładnego kształtowania blach. Zapewnia to korzyści, takie jak niższe koszty oprzyrządowania, zmienność i lepszą powtarzalność w porównaniu z płytami produkowanymi mechanicznie. Osiągnięcie płaskości płyty może jednak stanowić wyzwanie.

Fotochemiczne trawienie metalicznych płyt bipolarnych

Trawienie fotochemiczne, znane również jako trawienie chemiczne, to wszechstronny i precyzyjny proces obróbki blach. Wykorzystuje chemiczne środki trawiące do selektywnego rozpuszczania projektów kanałów przepływowych, przezwyciężając ograniczenia tradycyjnych technik obróbki. Metoda ta zapewnia korzyści, ale może być bardziej kosztowna w przypadku bardzo dużych ilości, jeśli początkowe koszty konfiguracji twardych narzędzi są uzasadnione.

Porównanie kosztów produkcji

Oprzyrządowanie i konfiguracja

W przeciwieństwie do tłoczenia i hydroformowania, które wykorzystują twarde narzędzia, trawienie chemiczne oferuje ekonomiczne rozwiązanie do produkcji metalowych płyt bipolarnych. Cyfrowe oprzyrządowanie zmniejsza koszty konfiguracji i produkcji, dzięki czemu idealnie nadaje się do prototypowania i elastycznych dostaw.

Jakość i uczciwość

Trawienie chemiczne utrzymuje integralność strukturalną metalowych płyt bipolarnych, eliminując obawy związane z płytami tłoczonymi i hydroformowanymi. Pozwala uniknąć mechanicznych zadziorów lub naprężeń, zapewniając wysokiej jakości płyty o niezmienionych właściwościach materiałowych.

Złożoność kanału przepływu

Trawienie chemiczne wykorzystuje cyfrowe oprzyrządowanie do drukowania projektów kanałów przepływowych na metalu, pozwalając na nieograniczoną złożoność projektu. Dokładność jest porównywalna z tradycyjnymi technikami, osiągając kanały o głębokości zaledwie 0,025 mm i szerokości 0,050 mm.

Czas realizacji

Podczas gdy tłoczenie i hydroformowanie mogą zapewnić krótki czas realizacji dostaw płyt produkcyjnych, produkcja narzędzi może trwać wiele miesięcy. Oprzyrządowanie do trawienia cyfrowego zwiększa wydajność, skracając zarówno czas realizacji oprzyrządowania, jak i prototypowania oraz usprawniając poprawki projektowe. Dzięki trawieniu chemicznemu, metalowe płytki bipolarne mogą być dostarczone w ciągu jednego do dwóch tygodni od otrzymania danych technicznych.

Grubość i wszechstronność

Trawienie fotochemiczne pozwala na zastosowanie praktycznie dowolnego metalu i produkcję metalowych płyt bipolarnych o grubości od 0,01 mm do 2,5 mm i rozmiarach arkuszy do 1500 mm x 600 mm. Konwencjonalne metody, takie jak tłoczenie i hydroformowanie, napotykają ograniczenia w przypadku niektórych rodzajów i grubości metali, ograniczając możliwości materiałowe dla inżynierów.

Wnioski

Płytki bipolarne mogą stanowić do 80% kosztu stosu elektrolizera, przy czym opcje metalowe często okazują się bardziej opłacalne niż grafitowe. Tę opłacalność można dodatkowo poprawić, stosując zaawansowane technologie obróbki, takie jak technika trawienia chemicznego, która pozwala na tworzenie skomplikowanych projektów z dużą dokładnością i skróconym czasem realizacji. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod obróbki, trawienie chemiczne pozwala uniknąć naprężeń mechanicznych i zadziorów, co skutkuje wyższą jakością i bardziej niezawodnymi płytami do zaawansowanych zastosowań.