Qu’est-ce qu’une plaque bipolaire en graphite ?
Une plaque bipolaire en graphite est un composant crucial des piles à combustible, en particulier des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et des piles à combustible à oxyde solide (SOFC). Elle est responsable de fournir la surface pour les réactions électrochimiques, de permettre le flux des électrons et de servir de séparateur entre les différentes unités de la pile à combustible.
Les plaques bipolaires en graphite sont appréciées pour leur excellente conductivité électrique, leur grande stabilité et leur forte résistance à la corrosion. Elles jouent un rôle clé dans le stack de la pile à combustible en facilitant la distribution des gaz réactifs, en éliminant la chaleur et en contribuant à l’intégrité structurelle globale du stack.
De quels matériaux sont faites les plaques bipolaires en graphite ?
Les plaques bipolaires en graphite sont principalement fabriquées à partir de divers types de graphite, qui peuvent inclure du graphite naturel, du graphite synthétique ou du graphite expansé. Cependant, elles sont souvent traitées ou combinées avec d’autres matériaux pour améliorer leurs propriétés mécaniques, leur conductivité électrique et leur résistance à la corrosion.
1. Graphite Naturel : Il est extrait de sources naturelles et transformé pour former les plaques. Il a une bonne conductivité électrique mais peut nécessiter un traitement supplémentaire pour améliorer la durabilité et la résistance à la corrosion.
2. Graphite Synthétique : Il est produit par des processus industriels, offrant une structure plus uniforme et des propriétés potentiellement améliorées telles qu’une pureté plus élevée, une meilleure résistance mécanique et une résistance accrue à l’usure.
3. Graphite Expansé : Ce type de graphite est fabriqué en traitant chimiquement le graphite pour créer une structure plus flexible et expansée. Il est souvent utilisé pour créer des plaques bipolaires composites, offrant un équilibre entre flexibilité et conductivité.
Pour améliorer les performances et la durabilité des plaques bipolaires en graphite, elles sont souvent combinées avec des liants en résine, des polymères ou d’autres additifs conducteurs. Ces composites aident à augmenter la résistance mécanique, à réduire la fragilité et à maintenir la conductivité, les rendant plus adaptées à une utilisation dans les environnements exigeants des piles à combustible.
Comment sont fabriquées les plaques bipolaires en graphite ?
Les plaques bipolaires en graphite sont des composants vitaux des piles à combustible, fournissant une surface conductrice pour les réactions et une structure qui sépare les cellules individuelles. Leur production implique des processus complexes pour assurer une conductivité élevée, une résistance et une résistance à la corrosion.
Ensuite, nous examinerons comment ces plaques sont fabriquées, en nous concentrant sur trois méthodes de fabrication clés : les plaques en graphite usinées, les plaques en graphite moulées par injection et les plaques en graphite moulées.
1. Plaques en Graphite Usinées
Le processus de fabrication des plaques en graphite usinées implique plusieurs étapes :
Préparation de la Matière Première : Cela implique de mélanger du coke et du brai à haute température (1 000-1 300 °C) pour former du carbone, qui est ensuite imprégné de brai et cuit. Le matériau carbonisé est ensuite chauffé dans un four électrique à 2 500-3 000 °C pour produire du graphite.
Tranchage : Les grands blocs de graphite sont grossièrement tranchés en feuilles pour s’adapter aux dimensions requises des plaques bipolaires.
Imprégnation : Les tranches de graphite subissent une imprégnation de résine pour remplir les pores internes et améliorer la qualité de la surface. Ce processus prend généralement 24 heures, suivi d’un traitement thermique pour solidifier la résine. Selon le type de résine utilisé, les plaques de graphite peuvent être imprégnées de résines phénoliques ou furaniques.
Broyage : Après l’imprégnation, les plaques sont grossières, elles subissent donc un broyage grossier, moyen et fin pour obtenir la douceur désirée.
Gravure et Usinage : C’est une étape critique pour obtenir des champs d’écoulement et des dimensions précis. En raison de la fragilité du graphite, ce processus nécessite une haute précision pour garantir la qualité et l’intégrité structurelle.
Cette méthode peut ne pas convenir pour les plaques ultra-fines (moins de 1,5 mm) en raison de la faible résistance et de la fragilité du graphite, entraînant une usure accrue des outils et des dimensions potentiellement inexactes.
2. Plaques en Graphite Moulées par Injection
Le moulage par injection utilise un mélange de graphite et de résine, qui est chauffé et injecté dans un moule pour former des plaques bipolaires. Ce processus implique :
Mélange des Matériaux : Le graphite et la résine sont mélangés dans des proportions spécifiques. Des poudres métalliques et des fibres (comme les fibres de carbone ou de céramique) peuvent être ajoutées pour améliorer la conductivité et la résistance mécanique.
Moulage par Injection : Le mélange est chauffé et injecté dans un moule fermé. Après refroidissement et solidification, la plaque bipolaire est retirée du moule.
Bien que le moulage par injection offre une évolutivité, il présente des limitations, notamment une élimination prolongée des liants (jusqu’à 7 jours), des fissures dans les sections épaisses et des contraintes de taille. Un traitement supplémentaire du graphite peut améliorer les performances mais augmenter les coûts de production.
3. Plaques en Graphite Moulées
Les plaques en graphite moulées sont fabriquées pour réduire les coûts de production et permettre une fabrication à grande échelle :
Préparation du Matériau : Un mélange de poudre de graphite et de résine est préparé, puis soumis à un prétraitement.
Moulage : Le mélange est placé dans un moule, et une pression et une chaleur sont appliquées pour permettre au matériau de couler et de remplir la cavité du moule. Si le liant est un plastique thermodurcissable, le durcissement et le démoulage prennent quelques minutes. S’il s’agit d’un thermoplastique, le moule doit être refroidi en dessous du point de fusion avant le démoulage.
Les plaques en graphite moulées offrent une méthode plus rentable et évolutive par rapport à d’autres processus, mais nécessitent un contrôle minutieux pour assurer l’uniformité et la qualité.
Applications des plaques bipolaires en graphite
Les plaques bipolaires en graphite sont des composants industriels essentiels, notamment dans les applications de l’énergie hydrogène, en raison de leur remarquable conductivité, durabilité et résistance chimique. Explorons ensuite quelques-unes des principales applications des plaques bipolaires en graphite dans divers secteurs :
1. Fabrication de piles à combustible
Les plaques bipolaires en graphite sont essentielles à la production de piles à combustible, servant de composants d’anode et de cathode. Elles jouent un rôle vital dans le stockage des charges électriques et facilitent le transport des électrons au sein de la pile. En tant que voie de transmission des électrons, ces plaques permettent les réactions électrochimiques nécessaires pour générer de l’énergie électrique. Leur haute conductivité et leur résistance à la corrosion les rendent idéales pour une utilisation dans les piles à combustible, en particulier dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et les piles à combustible à oxyde solide (SOFC).
2. Production d’hydrogène par électrolyse de l’eau
L’électrolyse de l’eau consiste à décomposer l’eau en hydrogène et en oxygène en utilisant de l’énergie électrique. Les plaques bipolaires en graphite fonctionnent comme des électrodes dans ce processus, facilitant les réactions électrochimiques nécessaires pour produire du gaz hydrogène. Cette application est cruciale pour la production de carburant hydrogène, fournissant une source d’énergie durable et respectueuse de l’environnement.
3. Capteurs électrochimiques
Les plaques bipolaires en graphite sont utilisées dans les capteurs électrochimiques, des dispositifs conçus pour détecter des substances chimiques par des réactions électrochimiques. En tant qu’électrodes dans ces capteurs, les plaques bipolaires en graphite aident à mesurer les variations du potentiel des électrodes pour déterminer la concentration de produits chimiques spécifiques. Cette technologie est largement utilisée dans la surveillance environnementale, les diagnostics médicaux et le contrôle des processus industriels, offrant une détection chimique précise et fiable.
4. Usinage électrochimique
Dans l’usinage électrochimique, les plaques bipolaires en graphite servent d’électrodes pour traiter les matériaux par des réactions électrochimiques. En contrôlant le potentiel des électrodes, cette méthode permet un enlèvement et une mise en forme précis des matériaux. L’usinage électrochimique est couramment utilisé pour créer des microdispositifs, des nanomatériaux et d’autres composants de haute précision, offrant une approche de fabrication sans contact et à faible impact thermique.
Les plaques bipolaires en graphite sont polyvalentes et jouent un rôle significatif dans l’avancement des technologies électrochimiques. De la fabrication de piles à combustible à la production d’hydrogène, en passant par les capteurs électrochimiques et l’usinage, leurs applications sont larges et impactantes.
Les piles à combustible doivent-elles utiliser des plaques bipolaires en graphite ou en métal ?
Le choix entre les plaques bipolaires en graphite et en métal dépend des exigences spécifiques de l’application de la pile à combustible. Si la résistance à la corrosion et la durabilité sont des préoccupations primordiales, les plaques bipolaires en graphite sont un meilleur choix. Cependant, si la minceur, la légèreté et les coûts de fabrication réduits sont plus critiques, les plaques bipolaires en métal peuvent être plus appropriées.
Pour les piles à combustible haute performance où la longévité et la résistance à la corrosion sont primordiales, les plaques bipolaires en graphite sont généralement préférées. En revanche, pour les applications compactes et légères, les plaques bipolaires en métal sont probablement la meilleure option, à condition que la protection contre la corrosion soit correctement mise en œuvre. En fin de compte, la décision doit être basée sur une évaluation complète de l’utilisation prévue de la pile à combustible, des conditions environnementales et des exigences de performance.
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