Les plaques bipolaires, souvent appelées collecteurs de courant, sont des composants indispensables de la technologie des piles à combustible. Positionnées entre les ensembles électrodes-membrane et les composants d’étanchéité, ces plaques jouent un rôle multifonctionnel essentiel pour le fonctionnement efficace des piles à combustible.
Fonctionnellement, les plaques bipolaires servent de liens critiques au sein du stack de la pile à combustible, exécutant une gamme de tâches qui assurent la conversion fluide de l’énergie chimique en énergie électrique.
Tout d’abord, elles agissent comme des barrières, séparant efficacement les flux de carburant et d’oxydant tout en empêchant le croisement des gaz, maintenant ainsi l’intégrité des réactions électrochimiques se produisant dans la cellule. De plus, ces plaques facilitent le transport des gaz de réaction vers et depuis les électrodes, permettant des réactions électrochimiques efficaces.
En outre, les plaques bipolaires jouent un rôle crucial en fournissant la connectivité électrique, assurant le flux régulier de courant à travers le stack de la pile. Elles contribuent également à l’élimination des sous-produits de l’eau générés lors des réactions électrochimiques, évitant les inondations et maintenant les performances optimales de la cellule.
De plus, la conception et l’usinage des canaux de flux au sein des plaques bipolaires sont conçus pour distribuer uniformément les gaz sur la couche de réaction de l’électrode, favorisant des réactions électrochimiques uniformes. Elles aident également à dissiper efficacement la chaleur, contribuant ainsi à réguler la température au sein du stack de la pile à combustible.
En termes de construction, les plaques bipolaires présentent des caractéristiques idéales pour leur application. Elles se distinguent par des profils fins et une construction légère, contribuant à l’efficacité globale du système de pile à combustible. De plus, elles offrent des options de fabrication économiques, les rendant adaptées à la production à grande échelle.
Le choix des matériaux pour les plaques bipolaires est primordial, les matériaux devant présenter une grande résistance, une résistance à la corrosion, une bonne étanchéité aux gaz et une haute conductivité pour optimiser à la fois la puissance de sortie et la longévité des systèmes de piles à combustible. Actuellement, les plaques bipolaires sur le marché sont généralement classées en trois catégories : plaques bipolaires en graphite, plaques bipolaires métalliques et plaques bipolaires composites.
Plaques bipolaires en graphite
Les plaques bipolaires en graphite sont des composants essentiels de la technologie des piles à combustible, principalement composées de poudre de graphite et de graphite expansé.
Poudre de graphite : La poudre de graphite sert de matière première principale pour les plaques bipolaires en graphite. Il s’agit de graphite finement broyé, caractérisé par ses propriétés de haute conductivité et de résistance à la corrosion.
Graphite expansé : Le graphite expansé, un autre composant crucial, subit un processus d’expansion pour augmenter son volume. Cela se traduit par une structure poreuse avec une conductivité thermique et électrique améliorée, en faisant un matériau idéal pour les plaques bipolaires.
La production et le traitement des plaques bipolaires en graphite impliquent généralement deux méthodes principales :
– La première méthode consiste à mouler ou à injecter de la poudre de graphite mélangée à des matériaux résineux. Ce processus utilise les caractéristiques du mélange poudre de graphite-résine pour obtenir des propriétés hydrophobes sur la surface du produit.
– La deuxième méthode utilise des matériaux composites en graphite expansé pour produire des structures en forme de plaque. Ce processus comprend des étapes telles que le pressage léger, le moulage, l’imprégnation de résine, la vulcanisation, le collage et le scellage. En utilisant des matériaux en graphite expansé, les produits résultants présentent une haute conductivité et une conductivité thermique, répondant aux exigences de géométrie des plaques bipolaires, de contour de surface et de dimensions mécaniques.
Les plaques bipolaires en graphite offrent plusieurs avantages, notamment une grande durabilité, une résistance à la corrosion et un coût relativement bas. Elles sont particulièrement adaptées aux véhicules commerciaux tels que les bus, les véhicules logistiques, les véhicules de nettoyage et les chariots élévateurs. Cependant, les plaques bipolaires en graphite présentent également quelques inconvénients, tels qu’une faible résistance à la compression et à la flexion, ce qui peut entraîner de la fragilité, des défis d’assemblage et des dimensions plus grandes.
Plaques bipolaires métalliques
Les plaques bipolaires métalliques sont des composants essentiels de la technologie des piles à combustible, émergeant progressivement comme le choix principal en raison de leur rentabilité et de leurs propriétés mécaniques supérieures. Ces plaques sont fabriquées à partir d’une variété de métaux et de matériaux composites à base de métal, chacun offrant des avantages uniques dans les applications de piles à combustible.
Des matériaux tels que l’acier inoxydable, les alliages d’aluminium, les alliages de titane, les alliages de nickel, les alliages de cuivre et les composites à base de métal sont largement utilisés dans la fabrication des plaques bipolaires métalliques. Les processus traditionnels de estampage ou de gravure sur métal sont employés pour produire des feuilles de métal ultra-fines de 0,1 mm d’épaisseur pour la fabrication des plaques bipolaires.
Les plaques métalliques, étant relativement plus minces, présentent une densité de puissance volumique plus élevée, les rendant bien adaptées aux stacks de piles à combustible à haute densité de puissance. Elles sont largement utilisées dans les véhicules de tourisme et autres applications nécessitant une puissance élevée. Cependant, les plaques métalliques peuvent souffrir d’une durabilité réduite, de coûts de production plus élevés influencés par le choix des matériaux et de susceptibilité aux réactions d’oxydation et à la corrosion dans des environnements acides ou à haute température.
Il est à noter que l’atteinte d’une production à grande échelle de plaques bipolaires métalliques pourrait réduire significativement les coûts de production, en devenant un point focal de la recherche dans l’industrie. Avec les progrès continus, les plaques bipolaires métalliques ont le potentiel d’optimiser davantage la technologie des piles à combustible, contribuant à l’avancement des solutions énergétiques propres.
Plaques bipolaires composites
Les plaques bipolaires composites représentent une avancée pionnière dans la technologie des piles à combustible, composées de deux matériaux ou plus synthétisés pour créer des solutions innovantes. Examinons ce qui rend les plaques bipolaires composites uniques.
Les plaques bipolaires composites présentent un mélange de matériaux, notamment des composites carbone/carbone et des composites graphite/polymère. Ces combinaisons visent à tirer parti de la résistance à la corrosion des matériaux de graphite avec la maniabilité et la dureté élevée des métaux, répondant aux limites inhérentes des matériaux individuels.
Les recherches actuelles se concentrent sur les modifications de surface des plaques anodiques en alliages d’aluminium, en acier au carbone ou en aciers inoxydables tels que le 316L et le 310L. Les techniques de modification de surface incluent les revêtements à base de carbone, les revêtements en nitrure métallique et les revêtements polymères, améliorant leurs performances et leur durabilité.
Malgré leurs avantages potentiels, les plaques bipolaires composites rencontrent certains défis. Leurs cycles de traitement prolongés et leurs processus de production complexes, ainsi que les problèmes de fiabilité sur une utilisation prolongée, limitent leur adoption généralisée dans les applications de piles à combustible.
De plus, les technologies de revêtement de surface exigent des équipements rigoureux, en particulier pour les processus impliquant la galvanoplastie de métaux précieux, ce qui augmente significativement les coûts de production.
Les plaques bipolaires sont des composants vitaux des piles à combustible, et la recherche de nouveaux matériaux et méthodes de fabrication performants et économiques pour les plaques bipolaires est cruciale pour l’industrialisation des véhicules à piles à combustible. Parmi les différents matériaux pour plaques bipolaires, les plaques bipolaires métalliques présentent des avantages en termes de conductivité, de résistance à la fatigue, etc., par rapport aux plaques bipolaires en graphite, les rendant plus propices à la miniaturisation et significativement importantes pour augmenter la densité de puissance des stacks de piles à combustible.
À l’avenir, le développement de revêtements conducteurs et résistants à la corrosion excellents ou de nouveaux types de matériaux métalliques pour les plaques bipolaires favorisera grandement l’application des PEMFC dans le domaine des véhicules de tourisme. De plus, les avancées technologiques visant à réduire les coûts sont tout aussi cruciales, et accélérer la transformation des produits à plaques bipolaires des résultats de laboratoire aux produits industriels est la voie la plus directe pour réduire les coûts et améliorer l’efficacité.