راهنمای بازار صفحات دوقطبی و گرافیت منعطف

چه هستند صفحات دوقطبی ?

صفحات دوقطبی اجزای ساختاری و عملکردی در هسته سلول های الکتروشیمیایی هستند - در درجه اول سلول های سوختی غشای تبادل پروتون (PEM) و جریان باتری ها هر صفحه به طور همزمان با آند یک سلول و کاتد سلول مجاور تماس می گیرد و آنها را به صورت الکتریکی پشت سر هم قرار می دهد در حالی که به طور فیزیکی گازهای واکنش دهنده را از هم جدا می کند. در پیل سوختی هیدروژنی PEM، صفحات دوقطبی سه عملکرد همزمان را مدیریت می‌کنند: توزیع هیدروژن و اکسیژن از طریق کانال‌های میدان جریان ماشین‌کاری شده یا قالب‌گیری شده، هدایت الکترون‌ها بین سلول‌ها و حذف گرما و آب تولید شده توسط واکنش الکتروشیمیایی.

صفحات دوقطبی به حساب می آیند 60-80 درصد وزن کل و تقریبا 30-40٪ از کل هزینه یک پشته پیل سوختی PEM، انتخاب مواد و روش ساخت را به عوامل غالب در عملکرد پشته، دوام و دوام تجاری تبدیل می کند. مواد صفحه دوقطبی ایده‌آل رسانایی الکتریکی بالا، نفوذپذیری گاز کم، مقاومت در برابر خوردگی قوی در محیط‌های الکترولیت اسیدی (pH 2-4)، استحکام مکانیکی کافی برای مدیریت فشرده‌سازی مونتاژ و چگالی کافی کم برای برآوردن اهداف چگالی توان گرانشی در کاربردهای حمل‌ونقل را ترکیب می‌کند.

مواد مورد استفاده در تولید صفحات دوقطبی

سه دسته مواد اصلی در تولید صفحات دوقطبی با یکدیگر رقابت می‌کنند که هر کدام از نظر رسانایی، وزن، مقاومت در برابر خوردگی، قابلیت ساخت و هزینه، با یکدیگر مبادلات متفاوتی دارند.

گرافیت ماشینکاری شده معیاری برای کاربردهای آزمایشگاهی و ثابت است که در آن هزینه و وزن در درجه دوم ثبات عملکرد قرار دارند. صفحات فلزی - فولاد ضد زنگ مهر نازک با روکش‌های PVD یا طلا - بر پشته‌های پیل سوختی خودروها (Toyota Mirai، Hyundai NEXO) غالب هستند، زیرا استحکام مکانیکی بالای آن‌ها باعث می‌شود صفحاتی به نازکی مانند 0.1-0.2 میلی متر ، پشته های فشرده و با چگالی توان بالا را امکان پذیر می کند. گرافیت انعطاف‌پذیر و کامپوزیت‌های متصل به پلیمر، حد وسط را برای تولید برق ثابت، توان پشتیبان و بازارهای نوظهور الکترولایزر اشغال می‌کنند.

صفحات دوقطبی گرافیت انعطاف پذیر: خواص و ساخت

گرافیت منعطف - که گرافیت منبسط شده یا گرافیت لایه‌برداری شده نیز نامیده می‌شود - با مخلوط کردن گرافیت پولکی طبیعی با اسید سولفوریک یا نیتریک تولید می‌شود و سپس به سرعت آن را تا دمای بالای 800 درجه سانتی‌گراد گرم می‌کند. شوک حرارتی باعث می‌شود که لایه‌های گرافیتی عمود بر صفحه پایه با ضریب منبسط شوند 200-400× ، ساختاری شبیه آکاردئون را ایجاد می کند که می تواند به صورت رول فشرده شده و به ورق های فویل متراکم و خود چسبنده بدون هیچ گونه چسب پلیمری تبدیل شود.

این ترکیب بدون بایندر یک تمایز کلیدی است. کامپوزیت‌های گرافیت متصل به پلیمر حاوی 20 تا 40 درصد رزین وزنی هستند که رسانایی را کاهش می‌دهد و فاز آلی را معرفی می‌کند که می‌تواند تحت شرایط اکسیداسیون در داخل یک پیل سوختی تجزیه شود. ورق گرافیت انعطاف پذیر، در مقابل، است 99% کربن خالص پایداری شیمیایی در سراسر محدوده pH کامل پیل‌های سوختی PEM و باتری‌های جریان، و همچنین پایداری حرارتی تا بیش از 450 درجه سانتی‌گراد در اتمسفرهای غیر اکسید کننده.

روش های تشکیل میدان جریان

کانال‌هایی که گازهای واکنش‌دهنده را در سطح مجموعه الکترود غشایی (MEA) توزیع می‌کنند، می‌توانند از طریق چندین فرآیند در گرافیت انعطاف‌پذیر تشکیل شوند:

• قالب گیری فشاری - متداول ترین روش قالب فولادی ماشینکاری شده الگوی کانال را تحت فشار و گرما به ورق گرافیت انعطاف پذیر فشار می دهد. زمان چرخه 1 تا 3 دقیقه حجم تولید متوسط ​​را امکان پذیر می کند.
• نقش برجسته رول - فرآیند مداوم با استفاده از غلتک های حکاکی شده برای حک هندسه کانال در ورق. مناسب برای تولید با حجم بالا و پروفیل های مقطعی ثابت.
• ماشینکاری CNC - برای کارهای نمونه اولیه و کم حجم استفاده می شود که در آن سرمایه گذاری ابزار برای قالب گیری موجه نیست. کندتر و بیهوده تر از قالب گیری است، اما حداکثر انعطاف پذیری طراحی را ارائه می دهد.

یک چالش مهم تولید با گرافیت انعطاف پذیر آن است هدایت ناهمسانگرد رسانایی درون صفحه (موازی با سطح ورق) بطور قابل ملاحظه ای بیشتر از رسانایی از طریق صفحه (عمود بر سطح) است. از آنجایی که جریان در یک پشته پیل سوختی از صفحه عبور می کند، بهینه سازی چگالی فشرده و مقاومت تماس سطحی ضروری است. صفحات معمولاً به تراکم فشرده می شوند 1.0-1.3 گرم بر سانتی متر مکعب ، با چگالی بالاتر باعث بهبود رسانایی از طریق صفحه می شود اما تراکم پذیری را کاهش می دهد که به صفحه اجازه می دهد تا با بی نظمی های سطح MEA مطابقت داشته باشد.

بازار صفحات دوقطبی گرافیت انعطاف پذیر: اندازه، رشد و محرک ها

بازار جهانی صفحات دوقطبی تقریباً ارزش گذاری شد 1.2 تا 1.5 میلیارد دلار در سال 2023 و پیش بینی می شود با نرخ رشد سالانه مرکب (CAGR) رشد کند 18-24٪ تا سال 2030، عمدتاً با مقیاس بندی استقرار پیل سوختی PEM در حمل و نقل، نیروی ثابت و تولید هیدروژن از طریق الکترولیز هدایت می شود. در این بازار گسترده‌تر، صفحات دوقطبی گرافیتی انعطاف‌پذیر سهم معناداری در بخش‌های برق ثابت و پشتیبان دارند، جایی که مقاومت در برابر خوردگی، سادگی ساخت و عدم وجود پوشش‌های سطحی پرهزینه نسبت به جایگزین‌های فلزی مزیت هزینه‌ای دارند.

محرک های کلیدی بازار

• توسعه اقتصاد هیدروژنی - استراتژی‌های دولتی هیدروژن در سراسر اتحادیه اروپا (REPowerEU)، ایالات متحده (قانون کاهش تورم اعتبارات مالیاتی تولید هیدروژن)، ژاپن، کره جنوبی و چین استقرار سلول‌های سوختی را در مقیاسی هدایت می‌کنند که پنج سال پیش از نظر تجاری حاشیه‌ای بود. هر مگاوات ظرفیت PEM نصب شده به صدها تا هزاران صفحه دوقطبی نیاز دارد.
• افزایش مقیاس الکترولیز الکترولیزهای PEM برای تولید هیدروژن سبز از صفحات دوقطبی با نیازهای مواد مشابه با پیل های سوختی اما تحت شرایط کاری متفاوت (ولتاژ بالاتر، تکامل اکسیژن در آند) استفاده می کنند. بازار الکترولیز در برخی پیش بینی ها سریعتر از بازار پیل سوختی رشد می کند و تقاضای موازی برای مواد صفحه گرافیتی ایجاد می کند.
• استقرار باتری جریان - باتری‌های جریان ردوکس وانادیوم (VRFBs) و سایر سیستم‌های شیمی جریان از صفحات دوقطبی برای جداسازی محفظه‌های الکترولیت استفاده می‌کنند. مقاومت گرافیت انعطاف پذیر در برابر الکترولیت وانادیوم (بسیار اسیدی و اکسید کننده) آن را به یک ماده ترجیحی برای کاربردهای ذخیره سازی طولانی مدت همراه با تولید انرژی های تجدیدپذیر تبدیل می کند.
• فشار کاهش هزینه بر روی صفحات فلزی - در حالی که صفحات فلزی مهر و موم شده بر پشته های خودرو غالب هستند، نیاز آنها به پوشش های خوردگی فلزی-گروه پلاتین یا طلایی هزینه ای را اضافه می کند که سازندگان در تلاش برای حذف آن هستند. این ارزیابی مداوم جایگزین‌های مبتنی بر گرافیت را در بخش‌های غیرخودرویی ایجاد می‌کند که چگالی توان پشته‌ای کمتر مهم است.

چشم انداز منطقه ای

آسیا و اقیانوسیه - به رهبری چین، ژاپن و کره جنوبی - بیشترین سهم از ظرفیت تولید صفحات دوقطبی فعلی را در اختیار دارد که زیربنای زنجیره های تامین سلول سوختی یکپارچه عمودی است. چین به تنهایی اهداف ملی را برای پایان تعیین کرده است 50000 خودروی پیل سوختی هیدروژنی تا سال 2025 و سرمایه گذاری زیادی در پردازش مواد گرافیتی داخلی برای صفحات دوقطبی و آند باتری انجام می دهد. اروپا سریعترین بازار در حال رشد از نظر ظرفیت الکترولیز نصب شده است، با پروژه هایی مانند اتحاد هیدروژن پاک اروپا که تقاضا را تسریع می کند. آمریکای شمالی در درجه اول از طریق برق ثابت، حمل و نقل سنگین (Hyzon، Nikola، Plug Power) و کاربردهای دفاعی مقیاس بندی می شود.

شرکت‌کنندگان کلیدی صنعت فعال در بخش صفحات دوقطبی کامپوزیت گرافیت و گرافیت انعطاف‌پذیر عبارتند از SGL Carbon، Toray Industries، Dana Incorporated، Schunk Carbon، Mersen، و GrafTech International. تعدادی از این شرکت ها به طور همزمان تولید کننده مواد و تولید کننده صفحات هستند که به آنها مزایای یکپارچه سازی عمودی را به عنوان مقیاس حجم می دهد.

چالش های فنی و دستورالعمل های توسعه

علیرغم شتاب قوی بازار، صفحات دوقطبی گرافیت انعطاف پذیر با چندین چالش فنی و تجاری روبرو هستند که اولویت های تحقیق و توسعه فعلی را شکل می دهند:

• نفوذپذیری گاز در ضخامت کم - از آنجایی که طراحان ضخامت صفحه را به زیر 1 میلی متر فشار می دهند تا حجم پشته را کاهش دهند، متقاطع هیدروژنی از طریق ورق گرافیت به یک نگرانی قابل اعتماد تبدیل می شود. اشباع رزین یا پوشش های نازک مانع می تواند نفوذپذیری را کاهش دهد اما فازهای پلیمری را مجدداً معرفی می کند که مزیت پایداری شیمیایی مواد را به خطر می اندازد.
• شکنندگی مکانیکی - ورق گرافیتی منعطف در جهت صفحه شکننده است و در اثر چرخه حرارتی مکرر یا سوء استفاده از مونتاژ مستعد لایه برداری است. ورقه های کامپوزیتی - گرافیت انعطاف پذیر نازک متصل به فیبر کربن یا پشتی پلیمری - در حال توسعه هستند تا قابلیت جابجایی را بدون به خطر انداختن رسانایی بهبود بخشند.
• بهبود رسانایی از طریق صفحه - دستیابی به رسانایی سطح بالای 100 S/cm در چگالی‌های فشرده تجاری قابل دوام، یک چالش علم مواد فعال است. افزودن نانوپلاکت گرافیت جهت دار و پروتکل های عملیات حرارتی از جمله رویکردهای مورد بررسی است.
• مقیاس بندی بازده تولید - تشکیل کانال میدان جریان توسط قالب‌گیری فشاری بازده قابل قبولی را در تنظیمات آزمایشگاهی ایجاد می‌کند، اما حفظ تحمل‌های ابعادی 0.05 ± میلی‌متر در طول دوره‌های تولید با حجم بالا، نیازمند ابزار دقیق و کنترل فرآیند است که هزینه را در مقیاس‌های تولید فعلی افزایش می‌دهد.

اهداف فنی وزارت انرژی ایالات متحده برای صفحات دوقطبی یک هدف مقاومت الکتریکی از طریق صفحه را تعیین می کند. زیر 10 mΩ·cm² و چگالی جریان خوردگی کمتر از 1 µA/cm² - معیارهایی است که گرافیت انعطاف‌پذیر ذاتاً برای خوردگی مطابقت دارد، اما فقط با چگالی دقیق و بهینه‌سازی عملیات سطحی برای مقاومت به آن نزدیک می‌شود. ملاقات همزمان هر دو در صفحه زیر 1 میلی متری در مقیاس، چالش اصلی مهندسی این بخش در پنج سال آینده است.

صفحات دوقطبی در باتری‌های جریانی و الکترولایزرها

در حالی که پیل‌های سوختی PEM بیشترین توجه صفحات دوقطبی را به خود جلب می‌کنند، این جزء نقشی به همان اندازه در دو فناوری الکتروشیمیایی مجاور با مسیرهای رشد قابل توجهی در بازار دارد.

باتری های جریان ردوکس وانادیوم

در VRFB ها، صفحات دوقطبی، نیم سلول های مثبت و منفی را از هم جدا می کنند و باید در معرض قرار گرفتن مداوم در معرض پنتوکسید وانادیوم در اسید سولفوریک - یکی از الکترولیت های شیمیایی تهاجمی تر در ذخیره سازی انرژی تجاری، مقاومت کنند. گرافیت انعطاف‌پذیر و کامپوزیت‌های کربن-پلیمر هر دو در اینجا عملکرد خوبی دارند، با گرافیت انعطاف‌پذیر به دلیل عدم وجود فازهای پلیمری که وانادیوم می‌تواند به‌صورت اکسیداتیو تجزیه کند. استقرار VRFB برای ذخیره سازی انرژی طولانی مدت در مقیاس شبکه (تخلیه 4 تا 12 ساعت) نشان دهنده یک جریان تقاضای صفحه دوقطبی رو به رشد است که تا حد زیادی مستقل از اقتصاد هیدروژن است ، ایجاد تنوع در بازار برای تولید کنندگان صفحات گرافیتی.

الکترولیزهای PEM

الکترولیزهای PEM آب را تحت ولتاژ اعمال شده به هیدروژن و اکسیژن تقسیم می‌کنند و در چگالی جریان بالاتر (2-3 A/cm²) و پتانسیل آند بالاتر از سلول‌های سوختی کار می‌کنند. محیط تکامل اکسیژن در آند بسیار اکسید کننده است، که اکثر صفحات مبتنی بر گرافیت را در سمت آند حذف می کند - تیتانیوم با پوشش های پلاتین یا ایریدیوم در حال حاضر استاندارد است. با این حال، سمت کاتد (تکامل هیدروژن) خوش‌خیم‌تر است و صفحات مبتنی بر گرافیت در کاربردهای سمت کاتد در برخی طرح‌ها استفاده می‌شوند. از آنجایی که تولیدکنندگان الکترولیز به دنبال کاهش هزینه هستند، صفحات گرافیت سمت کاتدی یک فرصت تجاری زنده هستند، به ویژه برای تاسیسات در مقیاس مگاوات که در آن هزینه مواد در واحد سطح قابل توجه است.