Биполярные пластины

Биполярные пластины — это конструктивные элементы электрохимических устройств, в первую очередь водородных топливных элементов и проточных редокс-батарей, выполняющие функции токосъёма, разделения газовых или жидких реагентов, а также подвода и отвода сред к активной зоне мембранно-электродного блока. Биполярные пластины представляют собой тонкие (обычно от 0,5 до 3 мм) токопроводящие панели с каналами для распределения газов или электролита.

Устройство и основные функции

Биполярная пластина является ключевым компонентом топливного элемента. В типичной конструкции топливного элемента последовательно укладываются несколько мембранно-электродных блоков (МЭБ), разделённых биполярными пластинами. Каждая пластина контактирует с анодом одного МЭБ и катодом соседнего МЭБ, обеспечивая электрическое соединение ячеек в батарею.

Основные функции биполярной пластины:

• Токосъём и электрическое соединение: Пластина проводит электрический ток от одного электрода к другому, обеспечивая последовательное соединение ячеек в стеке (батарее). Для этого материал пластины должен обладать высокой электропроводностью.
• Распределение реагентов: На поверхности пластины выполнены каналы определённой геометрии, по которым равномерно подаются газообразные реагенты (водород и кислород или воздух) к поверхности мембранно-электродного блока. Для проточных батарей каналы предназначены для циркуляции жидкого электролита.
• Отвод продуктов реакции: Через каналы пластины отводятся образующиеся в ходе реакции продукты (вода в виде пара или жидкости) и непрореагировавшие газы.
• Теплоотвод: Пластина участвует в отводе тепла, выделяющегося в ходе электрохимической реакции. Часто внутри пластины предусматривают каналы для охлаждающей жидкости (воды, антифриза).
• Герметизация: Пластина совместно с уплотнительными элементами (прокладками) обеспечивает герметичность ячейки, разделяя газовые полости анода и катода, а также изолируя внутренние полости от внешней среды.

Классификация

Биполярные пластины классифицируются по материалу изготовления и по технологии изготовления.

По материалу

• Графитовые пластины: Традиционный материал, обладающий высокой химической стойкостью и хорошей электропроводностью. Графит порист, поэтому для герметизации пластины пропитывают полимерными смолами (например, фенолформальдегидными или эпоксидными) или изготавливают из композитов на основе графита и термопластичных полимеров. Недостатком является хрупкость и относительно высокая стоимость механической обработки.
• Металлические пластины: Изготавливаются из нержавеющей стали, титана, никеля или алюминия. Основные преимущества — высокая механическая прочность, пластичность (позволяет штамповать тонкие пластины), высокая электропроводность и теплопроводность. Главный недостаток — коррозия в кислой среде мембраны и образование пассивирующего оксидного слоя, увеличивающего контактное сопротивление. Для защиты на поверхность металлических пластин наносят покрытия (золото, платина, нитриды, карбиды, проводящие полимеры).
• Композитные пластины: Изготавливаются из смеси проводящего наполнителя (графит, сажа, углеродные волокна) и полимерного связующего (термопластичные или термореактивные смолы). Такие пластины сочетают коррозионную стойкость графита и технологичность полимеров, позволяя применять литьё под давлением или прессование. Недостатком является несколько более низкая электропроводность по сравнению с металлом.

По технологии изготовления

• Пластины с механической обработкой: Каналы вырезаются фрезерованием на станках с ЧПУ. Обеспечивает высокую точность, но дорого и медленно. Применяется для прототипов и мелкосерийного производства.
• Штампованные пластины: Металлический лист деформируется под давлением в штампе. Высокопроизводительный и дешёвый метод, пригодный для массового производства. Основная проблема — сложность контроля толщины и глубины каналов, а также возможное образование микротрещин.
• Литьё под давлением: Применяется для композитных пластин. Расплав полимера с наполнителем впрыскивается в форму. Высокая производительность, возможность получать сложную геометрию, но требуется дорогостоящая пресс-форма.
• Прессование: Композитная смесь помещается в пресс-форму и спрессовывается под высоким давлением и температурой. Метод позволяет получать пластины с высокой точностью и низкой пористостью.

Геометрия каналов

Форма и расположение каналов на поверхности биполярной пластины существенно влияют на эффективность топливного элемента. Основные типы геометрии:

• Параллельные каналы: Наиболее простой тип, когда несколько прямых каналов идут параллельно друг другу. Недостаток — возможное неравномерное распределение газа и образование застойных зон.
• Серпантинные (змеевидные) каналы: Один или несколько извилистых каналов, проходящих по всей поверхности пластины. Обеспечивают хорошее удаление воды и равномерное распределение газа, но создают высокое гидравлическое сопротивление.
• Интердигитальные (гребенчатые) каналы: Каналы разделены на входные и выходные, которые не соединены напрямую. Газ вынужден проходить через газодиффузионный слой под перегородками, что улучшает массообмен, но увеличивает перепад давления.
• Сетчатые или пористые структуры: Вместо каналов используется пористый материал, через который фильтруется газ. Обеспечивает равномерное распределение, но создаёт высокое сопротивление потоку.

Применение

Биполярные пластины являются обязательным компонентом в следующих типах устройств:

• Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC): Наиболее распространённое применение. Используются в автомобилях (например, Toyota Mirai, Hyundai Nexo), стационарных энергоустановках, портативных источниках питания.
• Топливные элементы на твёрдом оксиде (SOFC): Работают при высоких температурах (600–1000 °C). Биполярные пластины для них изготавливаются из керамики или специальных жаропрочных сплавов.
• Проточные редокс-батареи (VRFB, Zn-Br): В этих батареях биполярные пластины разделяют ячейки с циркулирующим жидким электролитом. Часто используются графитовые или композитные пластины.
• Электролизёры: В устройствах для электролиза воды (PEM-электролизёры) биполярные пластины выполняют аналогичные функции — подвод воды и отвод газов (кислорода и водорода).

Развитие и перспективы

Основные направления совершенствования биполярных пластин связаны с удешевлением производства, повышением коррозионной стойкости и снижением контактного сопротивления. В настоящее время ведутся разработки:

• Тонкостенных металлических пластин с защитными покрытиями (например, на основе графена или проводящих полимеров).
• Композитных пластин с использованием углеродных нанотрубок для повышения электропроводности.
• Пластин с оптимизированной топологией каналов, рассчитанной с помощью методов вычислительной гидродинамики (CFD).
• Биполярных пластин для высокотемпературных топливных элементов (например, на основе карбида кремния).

Снижение стоимости биполярных пластин является одной из ключевых задач для коммерциализации водородной энергетики. По данным Министерства энергетики США, стоимость биполярных пластин для автомобильных топливных элементов должна быть снижена до уровня менее 10 долларов США за киловатт установленной мощности.

Источники

1. Barbir, F. (2013). PEM Fuel Cells: Theory and Practice. Academic Press.
2. Larminie, J., & Dicks, A. (2003). Fuel Cell Systems Explained. John Wiley & Sons.
3. Mehta, V., & Cooper, J. S. (2003). Review and analysis of PEM fuel cell design and manufacturing. Journal of Power Sources, 114(1), 32-53.
4. Wang, Y., Chen, K. S., Mishler, J., Cho, S. C., & Adroher, X. C. (2011). A review of polymer electrolyte membrane fuel cells: Technology, applications, and needs on fundamental research. Applied Energy, 88(4), 981-1007.
5. Материалы Министерства энергетики США (DOE) по программе водородных и топливных элементов.