I. Introduction
Avec le développement continu des transports mondiaux, la consommation de pétrole par les pays du monde entier augmente. Parmi ces consommations, la popularisation à grande échelle des moteurs à combustion interne a conduit à une pollution atmosphérique sévère et a aggravé l’effet de serre. Pour faire face à ce problème, les Nations Unies, l’Union Européenne et le GIEC ont unanimement convenu d’une chose : nous devons atteindre la neutralité carbone d’ici 2050. Cette décision signifie que la quantité d’émissions de dioxyde de carbone doit être équilibrée avec la quantité de carbone absorbée dans l’atmosphère. Par conséquent, en moins de 30 ans, nous devons réduire les émissions de dioxyde de carbone pour finalement atteindre la neutralité carbone et protéger la Terre. Alors, comment atteindre la neutralité carbone, et quel chemin devons-nous emprunter ?
Pour atteindre cet objectif, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM), en tant que source d’énergie propre sans émissions, deviendront sans aucun doute la force principale pour la neutralité carbone. La plaque bipolaire, en tant que l’un des composants essentiels de la pile à combustible PEM, influence directement le taux d’utilisation des gaz réactifs ainsi que les performances de drainage et de dissipation thermique de la pile à combustible. Cet article recueille et résume les données pertinentes, en organisant les six fonctions de base que les plaques bipolaires doivent avoir dans les piles à combustible :
Séparer les cellules individuelles dans la pile ;
Transporter l’oxygène et l’hydrogène ;
Fournir une connexion électrique et conduire l’électricité ;
Éliminer les sous-produits tels que l’eau ;
Dissiper la chaleur de réaction par le biais du refroidissant ;
Résister à la force de serrage de l’assemblage de la pile.
Sur la base des six fonctions de base ci-dessus, la conception des plaques bipolaires doit répondre aux neuf exigences de base suivantes :
Forte résistance à la corrosion ;
Faible résistance et excellente conductivité électrique ;
Bonne conductivité thermique pour contrôler efficacement la température de la cellule ;
Perte de pression modérée à l’entrée et à la sortie ;
Facilité de traitement et de formation ;
Forte capacité de drainage ;
Faible poids ;
Haute résistance mécanique ;
Faible coût.
Pour atteindre les fonctions de base et les exigences ci-dessus, l’aspect le plus important est la conception structurelle de la plaque bipolaire. La conception des plaques bipolaires peut être divisée en formes de champ d’écoulement et structures de canaux. La structure des canaux comprend la taille de la zone de distribution du fluide, la structure de la zone de déviation, la longueur et le nombre de canaux, le rapport de la largeur du canal à la largeur de la crête, les exigences de conception des canaux et leur impact sur la performance de la cellule.
Ensuite, je fournirai un aperçu des deux points de conception clés : la forme du champ d’écoulement et la structure des canaux de la plaque bipolaire. L’accent sera mis sur les points chauds, les avantages et les inconvénients des différentes formes de canaux. Grâce à une combinaison de revue de la littérature et d’études de simulation, j’expliquerai l’impact des différentes formes de canaux sur la performance de la plaque bipolaire.
II. Formes des canaux de la plaque bipolaire
Depuis le début des années 1970, les formes des canaux des plaques bipolaires étaient extrêmement simples, consistant principalement en des canaux droits et des canaux serpentin simples. Des années 1980 à aujourd’hui, à mesure que les chercheurs approfondissaient l’étude des structures des canaux des plaques bipolaires, ils ont découvert l’impact des structures des canaux sur la performance des piles à combustible. Des conceptions de canaux plus complexes ont commencé à émerger, telles que des canaux multi-serpentins, des canaux interdigités, des canaux en grille et même des canaux biomimétiques, comme montré dans la figure ci-dessous :
2.1 Canaux droits
Les canaux droits consistent en plusieurs lignes droites réparties en parallèle. Leurs avantages incluent la facilité de traitement, une faible résistance à l’écoulement et une petite perte de pression aux entrées et sorties de fluide. Cependant, en raison de la conception parallèle, la différence de pression entre les canaux est faible, entraînant une convection forcée faible entre les canaux adjacents. Par conséquent, les gaz réactifs comptent principalement sur la diffusion pour entrer dans la couche de diffusion de gaz (GDL) pour la réaction. De plus, en raison du faible débit de gaz, l’eau liquide s’accumulant sous les crêtes et aux bords des canaux n’est pas facilement expulsée, ce qui entraîne une inondation de l’électrode, affectant les performances globales de la cellule.
Ensuite, sur la base de canaux d’une profondeur de 0,4 mm et d’une largeur de 0,5 mm, nous étudierons les schémas de distribution de la perte de pression aux entrées et sorties des canaux de différentes longueurs et structures. La figure ci-dessous montre la relation entre la perte de pression et la longueur du canal pour des canaux de longueurs variées allant de 100 mm à 500 mm. Il est évident qu’à mesure que la longueur du canal augmente, la perte de pression aux entrées et sorties augmente de manière linéaire. À un débit de 10 m/s, la perte de pression augmente d’environ 1,5 kPa pour chaque augmentation de 50 mm de la longueur du canal (Note : données issues d’Internet, les données réelles doivent être vérifiées en conséquence).
Les chercheurs ont également comparé les canaux droits de 280 mm de longueur avec des canaux ondulés. L’étude a montré que l’impact sur la perte de pression pour les canaux ondulés équivaut à une augmentation de 200 mm de la longueur des canaux droits, prouvant que les canaux ondulés peuvent augmenter la perte de pression d’entrée sans changer la longueur du canal. De plus, la turbulence causée par les courbes dans les canaux ondulés entraîne une distribution de fluide plus uniforme. Le degré de courbure et le nombre de courbes dans les canaux ondulés affectent également la perte de pression. Ces données expliquent pourquoi de nombreux fabricants se concentrent sur l’amélioration de la conception des canaux ondulés des canaux droits.
De plus, les canaux droits incluent également des configurations en un-contre-deux et un-contre-multiples. La figure ci-dessous étudie la distribution des fluides dans des scénarios un-contre-deux, un-contre-quatre et un-contre-huit, concluant qu’un nombre de divisions de deux permet plus facilement d’obtenir une distribution de flux uniforme dans le champ d’écoulement.
Pour résoudre les problèmes des canaux droits, les concepteurs de canaux ont proposé les solutions suivantes :
1. Réduire la taille du canal pour augmenter le débit de gaz, rendant plus facile l’expulsion de l’eau générée et empêchant les inondations.
2. Introduire des changements brusques dans les sections transversales des canaux pour augmenter la turbulence, provoquant l’expansion et la contraction latérale du gaz parallèlement à la couche de diffusion, améliorant la capacité de diffusion des gaz réactifs.
3. Ajouter des régions de guidage pour rendre l’écoulement du fluide plus uniforme.
4. Concevoir des champs d’écoulement divisés, où le fluide est dévié du canal principal vers plusieurs sous-canaux puis remerge, augmentant la perte de pression et améliorant l’utilisation des réactifs.
2.2 Canaux serpentins
Le canal serpentin à voie unique a été le premier type de canal proposé. Ce type de canal présente les avantages d’une distribution uniforme de l’écoulement, d’une expulsion rapide de l’eau liquide et d’une résistance au colmatage. Cependant, en raison de la longueur relativement grande du canal serpentin, il en résulte une perte de pression fluide significative, ce qui peut facilement entraîner un transfert de masse insuffisant aux stades ultérieurs, une distribution inégale des gaz et une densité de courant non uniforme. Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs ont développé la conception du canal serpentin à voies multiples basée sur le canal serpentin à voie unique.
Bien que la conception du serpentin à voies multiples puisse améliorer ces problèmes, elle ne peut pas les résoudre complètement. De plus, les canaux serpentins à voies multiples posent une difficulté de traitement accrue. La raison principale est que les canaux serpentins sont disposés en série et en parallèle, avec une différence de pression entre les canaux adjacents. Cela provoque le passage du gaz à travers les crêtes du canal de la plaque bipolaire et son entrée dans un autre canal via le GDL, entraînant un phénomène de « court-circuit ». De plus, en raison de la longueur relativement grande des canaux serpentins, il y a encore une perte de pression significative à l’entrée et à la sortie du gaz, entraînant une distribution inégale des gaz réactifs et, par conséquent, une densité de courant et une distribution de chaleur non uniformes.
Les chercheurs ont d’abord étudié l’impact des positions des courbes simples dans les canaux serpentins sur la perte de pression. Pour la même longueur de canal, ils ont examiné différentes positions de courbes et ont constaté que la position de la courbe dans les canaux serpentins n’a presque aucun effet sur la perte de pression totale.
Ensuite, les chercheurs ont étudié l’impact des angles de courbe allant de 30° à 135° sur la perte de pression. Les résultats ont montré qu’à mesure que l’angle de la courbe augmente, la perte de pression diminue progressivement. Le taux de perte de pression entre 30° et 90° est plus élevé qu’entre 90° et 135°, indiquant que le taux de perte de pression pour les courbes à angle aigu est plus élevé que pour les courbes à angle obtus.
Pour résoudre les problèmes des canaux serpentins, les concepteurs de canaux ont proposé les solutions suivantes :
Densifier les canaux,
Réduire progressivement le milieu du canal,
Élargir la sortie,
Ajouter des structures de turbulence,
Incorporer des conceptions de guidage.
Ces orientations visent à optimiser les performances et l’efficacité des canaux serpentins.
2.3 Canaux interdigités
Les champs d’écoulement interdigités, également appelés champs d’écoulement discontinus, ne sont actuellement pas largement utilisés. Cela est principalement dû au fait que les canaux d’entrée et de sortie ne sont pas connectés, obligeant les gaz réactifs à traverser la GDL pour sortir du canal. Cela forme une forte convection forcée sous les crêtes, expulsant l’eau de la GDL et augmentant le taux de transport des produits de réaction, améliorant ainsi considérablement les performances de la pile à combustible. Cependant, la convection forcée sous les crêtes entraîne une perte de pression très élevée et une perte de pression sévère à l’entrée et à la sortie des gaz, ce qui peut également endommager la couche de catalyseur. Si la conception n’est pas raisonnable, elle est sujette à des courts-circuits, réduisant l’efficacité d’utilisation des réactifs et des électrodes.
2.4 Canaux en grille
Les canaux en grille impliquent l’agencement d’obstacles selon un schéma régulier à la surface de la plaque bipolaire, formant des canaux qui s’étendent entre l’entrée et la sortie de fluide. Cela oblige le fluide à s’écouler entre les obstacles, entraînant une expansion et une contraction continues des gaz réactifs dans le champ d’écoulement, augmentant ainsi la turbulence du fluide. En conséquence, les canaux en grille permettent aux gaz réactifs de contacter pleinement la couche de diffusion, facilitant un échange de chaleur efficace avec la couche de diffusion et emportant la chaleur. Cependant, comme les gaz réactifs ont plusieurs voies à choisir, ils ont tendance à s’écouler par les canaux offrant la moindre résistance, entraînant une distribution inégale des gaz. Pour résoudre ce problème, la forme et la disposition des obstacles peuvent être optimisées pour améliorer le taux d’utilisation des gaz réactifs, améliorant ainsi les performances de la pile à combustible.
2.5 Canaux biomimétiques
Les canaux biomimétiques sont généralement conçus en imitant des phénomènes naturels, tels que la distribution des branches sur les arbres, la nervation des feuilles ou le réseau vasculaire dans le système cardiovasculaire humain. Ces conceptions tirent pleinement parti de la distribution uniforme des fluides observée dans les systèmes biologiques, garantissant que les gaz réactifs sont pleinement utilisés. Le principe est d’agencer raisonnablement les canaux principaux et secondaires, permettant une distribution uniforme des gaz réactifs. Dans les canaux biomimétiques, les gaz réactifs se divisent et se rejoignent continuellement, créant de la turbulence et favorisant l’absorption et l’utilisation des gaz. Bien que le débit dans les canaux biomimétiques soit inférieur à celui des canaux serpentins ou interdigités, la perte de pression reste minimale, ce qui améliore encore les performances de la pile à combustible.
III. Structure des autres parties de la plaque bipolaire
Les performances de la plaque bipolaire ne sont pas seulement étroitement liées à la structure des canaux, mais aussi influencées par les dimensions des zones d’entrée et de sortie, la configuration de la zone de transition des réactifs et les dimensions des canaux de la zone de réaction. Ensuite, examinons brièvement l’impact de ces trois zones sur les performances de la pile à combustible.
3.1 Zones d’entrée et de sortie
Actuellement, les zones d’entrée et de sortie des plaques bipolaires sont principalement situées autour de la périphérie. Ces zones servent de régions de conduction de fluide, permettant aux gaz réactifs et au liquide de refroidissement de s’écouler dans et hors de la plaque bipolaire par les entrées et sorties des canaux. La disposition et la taille de ces zones sont également des facteurs qui affectent les performances de la pile à combustible.
Pour la disposition des entrées et des sorties, afin d’équilibrer la gestion thermique et hydrique et l’humidité des gaz réactifs, les positions des entrées et des sorties de la plaque bipolaire sont conçues de manière à ce que l’entrée d’air à faible humidité soit située du côté de la température plus basse. Cela permet l’humidification par diffusion de l’eau depuis l’extrémité de l’anode, tandis que la sortie d’air à haute humidité se trouve du côté de la température plus élevée, correspondant à l’entrée d’hydrogène à faible humidité. Cette conception globale est bénéfique pour la distribution uniforme de la teneur en eau au sein de la pile à combustible.
En ce qui concerne les dimensions des entrées et des sorties, la recherche indique que la surface de la section transversale de l’entrée doit être supérieure ou égale à la surface de la section transversale minimale du canal multipliée par le nombre de canaux. En général, les tailles relatives de l’entrée et de la sortie sont symétriques. Cependant, avec le développement des plaques bipolaires, certaines entreprises automobiles et de production d’énergie ont proposé des plaques d’électrodes de piles à combustible asymétriques, avec une surface de la section transversale des sorties de l’anode et de la cathode plus grande que celle des entrées. Cette conception a montré une meilleure uniformité dans la distribution des gaz réactifs.
3.2 Zone de transition des réactifs
La zone de transition des réactifs est la zone où les gaz réactifs et le liquide de refroidissement entrent dans la zone de réaction. Sa fonction principale est de guider l’écoulement de ces substances dans la zone de réaction. Certaines conceptions de plaques bipolaires intègrent la zone de transition avec les canaux, tandis que d’autres ont une zone de transition configurée séparément. La zone de transition configurée séparément utilise souvent une distribution en grille/matrice de points des canaux, permettant aux gaz de se distribuer dans la zone de transition avant d’entrer dans les canaux.
3.3 Dimensions des canaux de la zone de réaction
Les dimensions des canaux dans la zone de réaction sont des paramètres cruciaux qui affectent les performances des gaz réactifs et du liquide de refroidissement. Les dimensions des canaux peuvent être divisées en largeur de canal, largeur de crête et profondeur de canal.
3.3.1 Largeur de canal
Les recherches ont montré que différentes largeurs de canal influencent les performances, la perte de pression et la distribution des gaz de la pile à combustible de la manière suivante :
Réduire la largeur du canal aide à améliorer les performances de la pile à combustible.
Une largeur de canal plus étroite diminue les différences de vitesse d’écoulement entre les canaux adjacents, améliorant l’uniformité de la distribution du flux.
Réduire la taille du canal entraîne une augmentation non linéaire de la concentration moyenne d’oxygène et de son uniformité, augmentant ainsi les taux de conversion de l’oxygène.
3.3.2 Largeur de crête
En fonction de la conductivité des matériaux de l’électrode et de la plaque bipolaire, il existe une valeur optimale pour la surface des rainures du champ d’écoulement, ce qui signifie que le rapport entre la largeur du canal et la largeur de la crête a une valeur optimale. Le rapport entre la surface des rainures et la surface totale de la plaque bipolaire est connu sous le nom de porosité de la plaque bipolaire. Les recherches indiquent que la porosité doit être comprise entre 40 % et 75 %. Une porosité trop élevée entraînera une résistance de contact excessive entre l’électrode et la plaque bipolaire, augmentant la perte de polarisation ohmique de la cellule. Inversement, une porosité trop faible entraînera une surface de réaction insuffisante en raison de canaux trop petits.
3.3.3 Profondeur de canal
Les études montrent que, dans une certaine plage, plus la profondeur du canal est faible, meilleures sont les performances de la pile à combustible. Cependant, si le canal est trop peu profond, cela peut entraîner une perte de pression excessive. En tenant compte des effets de la profondeur du canal sur la perte de pression et la concentration de gaz, les performances optimales sont atteintes lorsque la profondeur du canal est de 0,6 mm (ces données sont basées sur des tests de simulation, et les données réelles peuvent varier en fonction de différents facteurs).
En résumé, dans des conditions de débit de gaz certain, réduire de manière appropriée la profondeur et la largeur des canaux peut augmenter la vitesse d’écoulement des gaz, augmenter la concentration de gaz entrant dans la GDL et la couche catalytique, et améliorer les performances de drainage de l’eau et de dissipation thermique du champ d’écoulement. Cependant, pour éviter une perte de pression excessive dans les canaux et une résistance de contact élevée entre la plaque bipolaire et la GDL, la largeur et la profondeur des canaux ne doivent pas être trop petites.
Perspectives
En tant que composant crucial des piles à combustible, la forme et la structure des canaux de la plaque bipolaire impactent directement le taux d’utilisation des gaz réactifs et les performances de la pile à combustible. Actuellement, les formes les plus couramment utilisées sont les canaux droits et les canaux serpentins, avec des améliorations principalement axées sur les dimensions et la structure de ces canaux.
Parmi les clients de plaques bipolaires personnalisées de TMN, en plus des optimisations susmentionnées de la structure des canaux, des zones d’entrée et de sortie, des zones de transition des réactifs et des dimensions des canaux de la zone de réaction, il existe également diverses demandes de fabrication pour les plaques bipolaires. Deux des cas les plus typiques sont les suivants :
Cas classique 1 : Revêtement de surface
Cela implique le placage électrolytique de platine sur un côté de la plaque bipolaire et de MMO (oxyde métallique mixte) sur l’autre côté.
Cas classique 2 : Canaux à double profondeur
Cela implique la gravure de deux profondeurs différentes de canaux sur le même côté de la plaque bipolaire. Par exemple, si l’épaisseur totale des plaques bipolaires est de 2,0 mm, des canaux de profondeurs de 0,6 mm et 0,4 mm peuvent être gravés sur un côté, tandis qu’un canal de 0,5 mm de profondeur peut être gravé sur l’autre côté.
TMN investit dans la recherche sur la fabrication de plaques bipolaires chaque année. La technologie de fabrication progresse avec le développement des plaques bipolaires, offrant un soutien technique fiable pour la R&D des plaques bipolaires. Si vous êtes engagé dans la recherche sur les plaques bipolaires et avez besoin de soutien technique, veuillez nous laisser un message. Nous vous contacterons dès que possible pour vous fournir les meilleures solutions et un soutien technique avancé.
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