แผ่นขั้วคู่ทำหน้าที่นำกระแสไฟฟ้า แยกก๊าซ กระจายสารตั้งต้น ถ่ายเทความร้อน ต้านทานการกัดกร่อน และทนต่อแรงกดทับจากการเรียงซ้อน เนื่องจากหน้าที่เหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กัน การประเมินประสิทธิภาพของแผ่นขั้วคู่จึงไม่สามารถพิจารณาจากคุณสมบัติของวัสดุหรือค่าการนำไฟฟ้าโดยรวมเพียงอย่างเดียวได้
ข้อกำหนดเชิงปฏิบัติควรระบุข้อกำหนดด้านไฟฟ้า เคมีไฟฟ้า การกั้น การเชิงกล มิติ พื้นผิว และกระบวนการผลิต รวมถึงวิธีการทดสอบแต่ละข้อ คู่มือนี้อธิบายวิธีการกำหนดและตีความข้อกำหนดเหล่านี้ก่อนอนุมัติวัสดุหรือแผ่นผลิต
ประเด็นที่สำคัญ
- ค่าการนำไฟฟ้าสูงไม่ได้หมายความว่าค่าความต้านทานรวมจะต่ำเสมอไป
- ความต้านทานการสัมผัสระหว่างพื้นผิวเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญของแผ่นขั้วคู่
- ต้องทดสอบความต้านทานการกัดกร่อนภายใต้สภาวะที่เป็นตัวแทนของเซลล์เชื้อเพลิง PEMFC
- ความหนาของแผ่นเหล็กส่งผลต่อทั้งน้ำหนักและปริมาตรของกองเหล็ก รวมถึงความแข็งแรงและความสามารถในการผลิตด้วย
- การซึมผ่านของไฮโดรเจนและความสมบูรณ์ของการปิดผนึกเป็นข้อกำหนดที่แตกต่างกัน
- ความเรียบมีผลต่อแรงกดสัมผัส การบีบอัด GDL และการปิดผนึก
- ค่าที่ได้จากการทดสอบจะมีประโยชน์ก็ต่อเมื่อมีการรายงานวิธีการและเงื่อนไขการทดสอบด้วย
- เป้าหมายของกระทรวงพลังงาน ผลการวิจัย ข้อกำหนดในแบบร่าง และเกณฑ์การยอมรับ ไม่สามารถใช้แทนกันได้
แผ่นขั้วคู่ของเซลล์เชื้อเพลิงต้องมีคุณสมบัติตามข้อกำหนดใดบ้าง?
แผ่นเพลทที่เหมาะสมจะต้องควบคุมการสูญเสียทางไฟฟ้า ทนทานต่อสภาพแวดล้อมภายในเซลล์ แยกวงจรของเหลว รองรับแรงอัด และคงรูปทรงได้อย่างเสถียรในราคาและอัตราการผลิตที่ต้องการ
| หมวดหมู่ความต้องการ | พารามิเตอร์สำคัญ |
|---|---|
| ระบบไฟฟ้า | ค่าการนำไฟฟ้าโดยรวม, ความต้านทานการสัมผัสที่พื้นผิว, ASR |
| ไฟฟ้า | กระแสกัดกร่อน, การสร้างชั้นป้องกัน, ความเสถียรของพื้นผิว |
| อุปสรรค | การซึมผ่านของไฮโดรเจน การรั่วไหลของก๊าซและสารหล่อเย็น |
| เชิงกล | ความแข็งแรง ความแข็งแง การยืดตัว ความต้านทานต่อความล้า |
| สวิตช์ความร้อน | การนำความร้อนและการกระจายความร้อน |
| มิติ | ความหนา ความเรียบ ความสอดคล้องของช่องและพอร์ต |
| พื้นผิว | ความต่อเนื่องของสารเคลือบ, ความหยาบ, การยึดเกาะ, ข้อบกพร่อง |
| การผลิต | ความสามารถในการทำซ้ำ ความคลาดเคลื่อน ครีบ การบางลง การเสียรูป |
| เชิงพาณิชย์ | ต้นทุนชิ้นส่วน, แม่พิมพ์, การเคลือบ, การตรวจสอบ, ต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน |
ไม่มีพารามิเตอร์ใดพารามิเตอร์เดียวที่บ่งชี้ว่าแผ่นขั้วไฟฟ้าสองขั้วที่ดีควรเป็นอย่างไรแผ่นนำไฟฟ้าอาจยังมีค่าความต้านทานที่ผิวสัมผัสสูง ในขณะที่สารเคลือบป้องกันการกัดกร่อนอาจยึดติดไม่ดี เสียหาย หรือมีความต้านทานสูงเกินไป
การนำไฟฟ้าและความต้านทานการสัมผัส
การนำไฟฟ้าโดยรวม
ค่าการนำไฟฟ้าโดยรวมอธิบายถึงการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านวัสดุแผ่น ต้องระบุทิศทางการทดสอบด้วย เนื่องจากกราไฟต์และวัสดุผสมอาจมีค่าการนำไฟฟ้าในระนาบและตั้งฉากกับระนาบแตกต่างกัน
สำหรับแผ่นโลหะ ค่าการนำไฟฟ้าของโลหะพื้นฐานเป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น ออกไซด์ สารเคลือบ มลภาวะ ความหยาบ และแรงกดสัมผัส ล้วนส่งผลต่อความต้านทานที่ประกอบขึ้น
เหตุใดความต้านทานการสัมผัสระหว่างพื้นผิวจึงมีความสำคัญ
กระแสไฟฟ้าต้องไหลผ่านบริเวณรอยต่อระหว่างแผ่นขั้วคู่และชั้นกระจายก๊าซความต้านทานที่บริเวณรอยต่อนี้เรียกว่าความต้านทานสัมผัสระหว่างพื้นผิว หรือ ICR
อัตราส่วนแรงกดต่อแรงอัด (ICR) เปลี่ยนแปลงไปตามแรงอัดและสภาพพื้นผิว แรงดันที่สูงขึ้นอาจเพิ่มพื้นที่สัมผัสจริง แต่ต้องยังคงเข้ากันได้กับชั้น GDL ซีล ช่องทาง และข้อจำกัดทางกล
จากการวิจัยเกี่ยวกับแผ่นขั้วไฟฟ้าแบบสองขั้วที่ทำจากสแตนเลส พบว่าฟิล์มที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการโพลาไรเซชันอาจทำให้ความต้านทานการสัมผัสเพิ่มขึ้นที่บริเวณรอยต่อระหว่างกระดาษคาร์บอนกับเหล็ก ดังนั้นพื้นผิวโลหะจึงต้องทนต่อการกัดกร่อนโดยไม่กลายเป็นสิ่งกีดขวางทางไฟฟ้า ดูบันทึกการวิจัยของห้องปฏิบัติการแห่งชาติแห่งเทือกเขาร็อกกีส์ ได้ที่ นี่
ความต้านทานจำเพาะต่อพื้นที่
ค่าความต้านทานจำเพาะต่อพื้นที่ หรือ ASR คือค่าความต้านทานที่สัมพันธ์กับพื้นที่สัมผัสที่ทำการทดสอบ:
A SR = R × A
โดยที่ R คือความต้านทาน และ A คือพื้นที่สัมผัส ASR สามารถตรวจจับการสูญเสียที่ส่วนต่อประสานและพื้นผิว ซึ่งการนำไฟฟ้าในปริมาณมากไม่สามารถตรวจจับได้
รายงานต้องระบุว่า ASR ครอบคลุมอินเทอร์เฟซเดียวหรือสองด้าน ใช้สื่อสัมผัสชนิดใด ขจัดความต้านทานของอุปกรณ์ยึดหรือไม่ และการทดสอบเกิดขึ้นก่อนหรือหลังการสัมผัสกับการกัดกร่อน
วิธีการทดสอบความต้านทานการสัมผัส
วิธีการทั่วไปคือการบีบอัดตัวอย่างระหว่างตัวกลางนำไฟฟ้า ปล่อยกระแสไฟฟ้าผ่านชุดตัวอย่าง และคำนวณค่าความต้านทานจากแรงดันตกคร่อม ทดสอบในช่วงแรงดันที่เกี่ยวข้อง
บันทึกพื้นที่ตัวอย่าง พื้นผิวและสถานะของสารเคลือบ ประเภทของ GDL โหลด กระแสไฟฟ้า อุณหภูมิ และวิธีการคำนวณ มิเช่นนั้น ค่า ASR จากระบบต่างๆ อาจดูเหมือนเทียบเคียงกันได้ ทั้งๆ ที่ไม่ใช่
ความต้านทานการกัดกร่อนในแผ่นขั้วคู่ของเซลล์เชื้อเพลิง PEM
เหตุใดสภาพแวดล้อมภายในเซลล์เชื้อเพลิง PEMFC จึงมีฤทธิ์กัดกร่อน
แผ่นขั้วคู่ของเซลล์เชื้อเพลิง PEMFC ต้องเผชิญกับความชื้น ความร้อน สภาพที่เป็นกรด ศักย์ไฟฟ้า และก๊าซแอโนดและแคโทดที่แตกต่างกัน การเริ่มต้น การหยุดทำงาน การขาดสารอาหาร และน้ำเฉพาะจุด ล้วนเป็นปัจจัยที่เพิ่มความเครียดซึ่งการทดสอบแบบแช่อาจมองข้ามไป
ชั้นออกไซด์เฉื่อยสามารถชะลอการกัดกร่อนของโลหะได้ แต่จะเพิ่มค่า ICR ดังนั้นจึงต้องประเมินความต้านทานการกัดกร่อนและความต้านทานการสัมผัสควบคู่กันไป
จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อแผ่นโลหะเกิดการผุกร่อน?
การกัดกร่อนสามารถเพิ่มความต้านทานการสัมผัส ปล่อยไอออนโลหะ ทำลายสารเคลือบ และลดความเสถียร ไอออนที่ถูกปล่อยออกมาอาจรบกวนการทำงานของเมมเบรนหรือตัวเร่งปฏิกิริยาได้
คำถามสำคัญคือ การกัดกร่อนจะเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพทางไฟฟ้า ปนเปื้อนส่วนประกอบอื่นๆ หรือทำให้เกิดข้อบกพร่องที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานหรือไม่
ความหนาแน่นกระแสการกัดกร่อน
ความหนาแน่นกระแสการกัดกร่อนเป็นค่าที่ปรับให้เป็นมาตรฐานตามพื้นที่ที่สัมผัส โดยทั่วไปค่าที่ต่ำกว่าจะบ่งชี้ว่ามีการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าในระดับที่น้อยกว่าภายใต้โปรโตคอลที่ระบุไว้
สองวิธีที่ใช้กันทั่วไปให้ข้อมูลที่แตกต่างกัน:
- การโพเทนซิโอไดนามิกโพลาไรเซชัน ตรวจสอบศักยภาพในการระบุบริเวณที่มีการกัดกร่อน การเกิดชั้นฟิล์มป้องกัน และการชำรุดเสียหาย
- การทดสอบโพเทนซิโอสแตติก เก็บค่าศักยภาพที่เลือกไว้และติดตามกระแสไฟฟ้าเมื่อเวลาผ่านไปเพื่อประเมินความเสถียร
การเคลือบและการรักษาพื้นผิว
สารเคลือบสามารถปกป้องพื้นผิว ลดการปล่อยไอออน และควบคุม ICR ได้ สารเคลือบต้องคงความต่อเนื่องและยึดติดแน่นหลังจากการประมวลผลและการสัมผัสกับแสง
นอกจากนี้ยังต้องเป็นไปตามข้อจำกัดด้าน ICR, การยึดเกาะ, ความสม่ำเสมอ, ข้อบกพร่อง และต้นทุน สำหรับตัวเลือกวัสดุรองรับและพื้นผิว โปรดดูแผ่นไบโพลาร์โลหะสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง PEM
เงื่อนไขการทดสอบต้องแสดงถึงการใช้งานจริง
รายงานค่าอิเล็กโทรไลต์และค่า pH อุณหภูมิ ก๊าซ ขั้วไฟฟ้าอ้างอิง ศักย์ไฟฟ้า อัตราการสแกนหรือเวลาคงที่ พื้นที่ที่ได้รับแสง และการเตรียมตัวอย่าง ห้ามจัดลำดับผลลัพธ์จากสภาวะที่แตกต่างกันโดยตรง
การทดสอบนอกสถานที่ช่วยคัดกรองวัสดุ แต่ไม่สามารถทดแทนการทดสอบความทนทานในสถานที่จริงได้ ซึ่งการทดสอบในสถานที่จริงนั้นเกี่ยวข้องกับการอัด การไหลของน้ำ การไหลของก๊าซ สารปนเปื้อน และวัฏจักรต่างๆ ที่อาจเกิดขึ้น
การซึมผ่านของไฮโดรเจนและการแยกก๊าซ
แผ่นขั้วคู่ต้องทำหน้าที่แยกวงจรไฮโดรเจน อากาศ และสารหล่อเย็นออกจากกัน หากแผ่นขั้วคู่ทำงานผิดพลาด จะลดประสิทธิภาพการทำงาน ทำให้องค์ประกอบของก๊าซเปลี่ยนแปลงไป สร้างความเสียหายให้กับปล่องควัน และก่อให้เกิดความเสี่ยงด้านความปลอดภัย
การซึมผ่านคือการขนส่งผ่านวัสดุและขึ้นอยู่กับความพรุน ความหนา รอยแตกขนาดเล็ก และข้อบกพร่อง เป้าหมายของ DOE อ้างอิงถึงASTM D1434ซึ่งเป็นวิธีการส่งผ่านก๊าซแบบสภาวะคงที่สำหรับฟิล์มและแผ่น
การรั่วซึมเกิดขึ้นได้ผ่านรอยเชื่อม รอยต่อ ช่องเปิด รูเล็กๆ รอยแตก หรือซีล แม้ว่าวัสดุนั้นจะมีค่าการซึมผ่านต่ำก็ตาม
| คำถามทดสอบ | สิ่งที่ตรวจสอบ |
|---|---|
| ก๊าซสามารถผ่านวัสดุแผ่นได้หรือไม่? | การซึมผ่านของวัสดุ |
| ก๊าซสามารถรั่วไหลผ่านชุดแผ่นหรือรอยต่อได้หรือไม่? | การรั่วไหลของส่วนประกอบ |
| วงจรของเหลวหนึ่งสามารถเชื่อมต่อกับอีกวงจรหนึ่งได้หรือไม่? | การรั่วไหลภายใน |
| ก๊าซสามารถรั่วไหลออกนอกปล่องได้หรือไม่? | การรั่วไหลและการปิดผนึกภายนอก |
กำหนดเส้นทางความล้มเหลวแต่ละเส้นทางให้ชัดเจน แทนที่จะใช้คำว่า "กันแก๊สรั่ว" เป็นข้อกำหนดที่ไม่ระบุรายละเอียด
ข้อกำหนดทางกลภายใต้แรงอัดของกองซ้อน
แผ่นขั้วคู่ต้องเผชิญกับแรงยึด แรงกดจากปะเก็น การขนส่ง การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ และความเค้นเฉพาะจุดในช่องทางเดิน จึงต้องคงไว้ซึ่งการสัมผัสและการปิดผนึกโดยไม่ยุบตัว เสียรูปทรงถาวร หรือแตกหัก
ความแข็งแรงเทียบกับความหนาของแผ่น
แผ่นเหล็กที่บางลงจะช่วยลดมวลและปริมาตรของกองเหล็ก แต่ก็ลดความแข็งแรงในการดัดงอ และเพิ่มความไวต่อความเรียบ การจัดการ ความแปรผันในการขึ้นรูป และการบีบอัดเฉพาะจุดด้วย
แผ่นโลหะที่เหมาะสมที่สุดคือแผ่นที่บางที่สุดที่ยังคงตรงตามข้อกำหนดด้านโครงสร้าง การปิดผนึก การไหลของของเหลว การเคลือบ การเชื่อมต่อ และกระบวนการผลิต
ความแข็งแรงดัดและการยืดตัว
ความแข็งแรงดัดงอมีความสำคัญสำหรับแผ่นกราไฟต์และวัสดุคอมโพสิตวิธีการทดสอบ D790-25 ของ ASTM ในปัจจุบัน ครอบคลุมการทดสอบการดัดงอแบบสามจุดสำหรับพลาสติกและวัสดุคอมโพสิตที่มีโมดูลัสสูง
โดยทั่วไปแล้ว แผ่นโลหะจะได้รับการประเมินผ่านคุณสมบัติแรงดึง ความแข็ง การทดสอบการขึ้นรูป และการตรวจสอบชิ้นส่วนสำเร็จรูป การยืดตัวมีความสำคัญเมื่อทำการขึ้นรูปร่องโดยไม่ให้เกิดการฉีกขาดหรือการบางลงมากเกินไป
ความเรียบและความสม่ำเสมอในการอัด
ความเรียบที่ไม่ดีอาจทำให้เกิดการสัมผัสระหว่างแผ่นกับ GDL ที่ไม่สม่ำเสมอ ความต้านทานเฉพาะจุดสูงขึ้น การบีบอัด GDL ไม่สม่ำเสมอ หรือการรับน้ำหนักของปะเก็นไม่เสถียร
ระบุจุดอ้างอิง พื้นที่การวัด สถานะอิสระหรือถูกจำกัด และอุณหภูมิ ค่าความคลาดเคลื่อนที่ขาดหายไปหากปราศจากบริบทเหล่านี้ อาจถูกตีความแตกต่างกันได้
การนำความร้อนและการจัดการความร้อน
แผ่นขั้วคู่ช่วยกระจายความร้อนระหว่างบริเวณที่ใช้งานและโครงสร้างระบายความร้อน การกระจายความร้อนที่ไม่ดีอาจส่งผลให้เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิและจุดร้อนเฉพาะที่ ซึ่งอาจเปลี่ยนแปลงอัตราการเกิดปฏิกิริยา ความชื้น สภาพของเมมเบรน และพฤติกรรมการเสื่อมสภาพได้
ค่าการนำความร้อนโดยรวมมีความสำคัญ แต่ไม่ใช่เส้นทางการถ่ายเทความร้อนทั้งหมด ความหนาของแผ่น ทิศทางของวัสดุ การเคลือบผิว พื้นผิวสัมผัส รูปทรงของช่อง การจัดวางสารหล่อเย็น และการอัด ล้วนมีอิทธิพลต่อการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นจริง
ดังนั้น ควรประเมินข้อกำหนดด้านความร้อนเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบเซลล์และชุดเซลล์เชื้อเพลิงไม่ใช่ประเมินเป็นค่าวัสดุแยกต่างหาก
ข้อกำหนดด้านขนาดสำหรับแผ่นขั้วคู่
ข้อกำหนดด้านมิติจะเปลี่ยนเจตนาในการออกแบบให้เป็นเกณฑ์การยอมรับที่วัดได้ ภาพวาดควรระบุว่าคุณลักษณะใดควบคุมการประกอบ การปิดผนึก การสัมผัส การกระจายการไหล และความสามารถในการทำซ้ำระหว่างแผ่น
ความหนาของแผ่นมีผลต่อบรรจุภัณฑ์ มวล ความแข็ง การเลือกกระบวนการ และการเชื่อมต่อ ความเรียบมีผลต่อการสัมผัสและการปิดผนึก ความกว้างและความลึกของช่องมีผลต่อพฤติกรรมการไหล แต่บทความนี้ถือว่าสิ่งเหล่านี้เป็นข้อกำหนดในการตรวจสอบมากกว่าตัวแปรในการออกแบบทางเรขาคณิต
ระบุค่าความคลาดเคลื่อนของช่องและพื้นผิวหลังจากตรวจสอบการออกแบบร่วมกับกระบวนการผลิตแล้วเท่านั้น ความสัมพันธ์โดยละเอียดระหว่างความกว้าง ความลึก ร่อง ช่องเปิด และโซนเปลี่ยนผ่านของช่อง จะกล่าวถึงในส่วนการออกแบบโครงสร้างแผ่นไบโพลาร์
ตำแหน่งของรูจัดแนวและพอร์ตต่างๆ จำเป็นต้องมีจุดอ้างอิงที่ชัดเจนและการควบคุมตำแหน่งที่ถูกต้อง การจัดแนวที่ไม่ถูกต้องอาจจำกัดการไหลของของเหลว ขัดขวางความต่อเนื่องของช่องทาง เปลี่ยนพื้นที่การปิดผนึก หรือสะสมไปทั่วชุดเซลล์หลายเซลล์
คุณภาพพื้นผิวและข้อกำหนดการเคลือบผิว
ข้อกำหนดด้านพื้นผิวสำหรับแผ่นขั้วไฟฟ้าโลหะควรครอบคลุมถึงความต่อเนื่องของสารเคลือบ รูเล็กๆ รอยขีดข่วน สภาพของออกไซด์ ความหยาบ การยึดเกาะ ความสม่ำเสมอของความหนา และการปกคลุมขอบ (หากมี) ควรระบุวิธีการตรวจสอบและขีดจำกัดของข้อบกพร่องสำหรับแต่ละโซนที่สำคัญ
ความหยาบของพื้นผิวก่อให้เกิดข้อแลกเปลี่ยน พื้นผิวที่หยาบกว่าอาจเปลี่ยนแปลงพื้นที่สัมผัสจริงและการยึดเกาะของสารเคลือบ แต่ก็อาจส่งผลต่อ ICR การปิดผนึก และพฤติกรรมของของเหลวได้เช่นกัน ทิศทางที่เกี่ยวข้องขึ้นอยู่กับวัสดุ สารเคลือบ แรงอัด และส่วนต่อประสาน
ควรตรวจสอบความสมบูรณ์ของสารเคลือบหลังจากกระบวนการใดๆ ที่อาจทำให้สารเคลือบเสียหาย การขึ้นรูป การตัด การทำความสะอาด การเชื่อม การขนส่ง และการประกอบ อาจทำให้เกิดข้อบกพร่องที่ไม่มีอยู่ในแผ่นโลหะเคลือบก่อนนำเข้ามา
สารเคลือบต้องช่วยปรับปรุงพฤติกรรมการกัดกร่อนโดยไม่เพิ่มความต้านทานการสัมผัสเกินขีดจำกัดของโครงการควรทดสอบคุณสมบัติทั้งสองหลังจากกระบวนการผลิตและการสัมผัสที่เหมาะสมแล้ว
วิธีการทดสอบและกำหนดคุณลักษณะของแผ่นไบโพลาร์
เชื่อมโยงข้อกำหนดทุกข้อเข้ากับวิธีการ ตัวอย่าง เงื่อนไข และขีดจำกัดการยอมรับ
| พารามิเตอร์ | วิธีทดสอบทั่วไป | วัตถุประสงค์หลัก |
|---|---|---|
| การนำไฟฟ้าโดยรวม | การทดสอบความต้านทานแบบสี่จุดหรือแบบผ่านระนาบ | การนำความร้อนของวัสดุ |
| ไอซีอาร์ / เอเอสอาร์ | การทดสอบความต้านทานแรงกดด้วยอินเทอร์เฟซที่กำหนดไว้ | การสูญเสียอินเทอร์เฟซ |
| ทนต่อการกัดกร่อน | การทดสอบโพเทนซิโอไดนามิกและโพเทนซิโอสแตติก | ความเสถียรของพื้นผิว |
| การซึมผ่านของก๊าซ | การทดสอบการส่งผ่านหรือการซึมผ่านของก๊าซ | ประสิทธิภาพการกั้นของวัสดุ |
| การรั่วไหลของส่วนประกอบ | การทดสอบการลดลงของความดัน การไหล หรือก๊าซติดตาม | ความสมบูรณ์ของรอยต่อและการปิดผนึก |
| แรงดัด | การทดสอบการดัดแบบสามจุด | ความสมบูรณ์ของกราไฟต์/วัสดุคอมโพสิต |
| ความสามารถในการขึ้นรูปโลหะ | การทดสอบแรงดึงและการทดลองขึ้นรูป | ความยืดตัวและความเหมาะสมของกระบวนการ |
| ความเรียบและตำแหน่ง | CMM หรือการวัดทางแสง | ความสอดคล้องในการประกอบ |
| ความลึกของช่องทาง | การวัดด้วยโปรไฟล์มิเตอร์, CMM หรือการวัดด้วยแสง | ความสอดคล้องของสนามการไหล |
| สัณฐานวิทยาพื้นผิว | กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงหรือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน | ข้อบกพร่องของการเคลือบและการกัดกร่อน |
| องค์ประกอบพื้นผิว | EDS, XPS หรือการวิเคราะห์ที่เกี่ยวข้อง | สภาพของวัสดุและสารเคลือบ |
| พื้นผิวที่ขรุขระ | การวัดโปรไฟล์ด้วยการสัมผัสหรือด้วยแสง | คุณภาพของพื้นผิวและการเคลือบผิว |
การพัฒนาอาจใช้ SEM, XPS หรือการทดสอบทางเคมีไฟฟ้าแบบยาว การควบคุมคุณภาพตามปกติสามารถใช้การทดสอบมิติ การตรวจสอบด้วยสายตา คุณสมบัติทางไฟฟ้า และการรั่วไหลที่ได้รับการตรวจสอบแล้ว
ผลการทดสอบจำเป็นต้องมีบริบทประกอบ
รายงานเงื่อนไขการทดสอบ
ผลลัพธ์ทุกอย่างต้องตรวจสอบย้อนกลับได้ บันทึกอุณหภูมิ ความดัน การอัด สารละลายอิเล็กโทรไลต์ ศักย์ไฟฟ้า ระยะเวลา ก๊าซ ความชื้น การเตรียมตัวอย่าง พื้นที่ อุปกรณ์ และวิธีการคำนวณที่เกี่ยวข้องทั้งหมด
รายละเอียดเหล่านี้จะเป็นตัวกำหนดจำนวนและว่าจะสามารถผลิตซ้ำได้หรือไม่
อย่าเปรียบเทียบวิธีการที่แตกต่างกันโดยตรง
การทดสอบ ASR จากแรงดันการอัดที่แตกต่างกัน จำเป็นต้องใช้จุดทดสอบร่วมกันหรือเส้นโค้งความต้านทานแรงดันร่วมกัน ข้อมูลการกัดกร่อนจากอิเล็กโทรไลต์ ศักย์ไฟฟ้า อุณหภูมิ หรือระยะเวลาที่แตกต่างกัน ไม่สามารถจัดอันดับได้
ก่อนที่จะเปรียบเทียบค่าการซึมผ่าน ความแข็งแรง ความหยาบ ความเรียบ หรือข้อมูลจากผู้ผลิต โปรดตรวจสอบตัวอย่าง หน่วย ทิศทาง การปรับสภาพ และวิธีการให้แน่ใจก่อน
เป้าหมาย เทียบกับ ค่าทั่วไป เทียบกับ ข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์
| เทอม | ความหมาย |
|---|---|
| เป้าหมายทางเทคนิค | เป้าหมายของโครงการหรือแผนงานที่ใช้เป็นแนวทางในการพัฒนา |
| ค่าทั่วไปที่เผยแพร่ | ผลลัพธ์ที่รายงานสำหรับวัสดุหรือตัวอย่างทดสอบภายใต้เงื่อนไขที่ระบุ |
| ข้อมูลผลิตภัณฑ์ | ข้อกำหนดที่กำหนดไว้สำหรับโปรแกรมหรือแบบร่างเฉพาะ |
| เกณฑ์การยอมรับ | กฎการผ่าน/ไม่ผ่านที่ใช้ในการปล่อยชิ้นส่วนหรือล็อต |
เป้าหมายของ DOE สนับสนุนการเปรียบเทียบมาตรฐาน แต่ไม่ได้หมายความว่าจะเป็นข้อจำกัดของแบบร่าง OEM โดยอัตโนมัติ เกณฑ์สุดท้ายต้องสอดคล้องกับประสิทธิภาพของโครงการ ความปลอดภัย ความทนทาน และความต้องการในการผลิต
เป้าหมายอ้างอิงสำหรับประสิทธิภาพของแผ่นไบโพลาร์
กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาเผยแพร่ค่าอ้างอิงสำหรับการวิจัยเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับยานยนต์ หน้าเว็บปัจจุบันยังคงแสดงเป้าหมายแผ่นขั้วคู่ปี 2020ดังนั้นจึงควรอ้างอิงโดยใช้ป้ายกำกับนั้นแทนที่จะอธิบายว่าเป็นข้อกำหนดผลิตภัณฑ์สากลปี 2026
| พารามิเตอร์ | เป้าหมายด้านการขนส่งของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ปี 2020 | บริบทการทดสอบที่สำคัญ |
|---|---|---|
| การนำไฟฟ้า | >100 S/cm | คุณสมบัติและทิศทางของวัสดุต้องชัดเจน |
| ความต้านทานเฉพาะพื้นที่ | <0.01 โอห์ม·ซม² | รวมถึงอินเทอร์เฟซต่างๆ; เอกสารอ้างอิงของ DOE ใช้แรงอัด 138 N/cm² |
| การกัดกร่อนของขั้วบวก | <1 µA/cm² และไม่มีพีคที่ใช้งานอยู่ | โปรโตคอลแอโนดจำลองที่ระบุ |
| การกัดกร่อนของแคโทด | <1 µA/cm² | โปรโตคอลแคโทดจำลองที่ระบุ |
| สัมประสิทธิ์การซึมผ่านของ H₂ | <1.3 × 10⁻¹⁴ Std cm³/(s·cm²·Pa) | 80°C, 3 บรรยากาศ, ความชื้นสัมสัมพัทธ์ 100% |
| แรงดัด | > 25 MPa | ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการทดสอบแผ่นคาร์บอน/วัสดุคอมโพสิต |
| การยืดตัวของโครงสร้าง | 40% | เกี่ยวข้องกับความสามารถในการขึ้นรูปโลหะ |
เงื่อนไขและหมายเหตุทั้งหมดมีอยู่ในหน้าเป้าหมายทางเทคนิคของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ สำหรับส่วนประกอบเซลล์เชื้อเพลิง PEM
ค่าเหล่านี้เป็นเพียงจุดอ้างอิงที่เป็นประโยชน์ ไม่ใช่ข้อกำหนดการจัดซื้อสำเร็จรูป โครงการด้านการบินและอวกาศ ยานยนต์ เครื่องจักรคงที่ ห้องปฏิบัติการ หรือเครื่องจักรหนัก อาจใช้ค่าอุณหภูมิ ความดัน รอบการใช้งาน ปัจจัยด้านความปลอดภัย รูปทรงเรขาคณิต และขีดจำกัดการยอมรับที่แตกต่างกัน
ความต้องการของแผ่นไบโพลาร์มีความสัมพันธ์กัน
การเปลี่ยนแปลงข้อกำหนดข้อหนึ่งอาจช่วยปรับปรุงการทำงานในด้านหนึ่ง ในขณะที่อาจทำให้การทำงานในอีกด้านหนึ่งยากขึ้น
| ปรับปรุงสิ่งนี้ | การแลกเปลี่ยนที่เป็นไปได้ |
|---|---|
| ลดความหนาของแผ่นลง | ลดความแข็งและควบคุมความเรียบได้ดียิ่งขึ้น |
| เพิ่มประสิทธิภาพการป้องกันของสารเคลือบ | ค่า ICR หรือค่าเคลือบที่สูงขึ้น |
| เพิ่มค่าการนำไฟฟ้าโดยรวม | ข้อจำกัดด้านวัสดุ การกัดกร่อน หรือต้นทุน |
| เพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน | ภาระในการปรับสภาพพื้นผิวและการรับรองคุณสมบัติ |
| ใช้คุณลักษณะสนามการไหลที่ละเอียดกว่า | ข้อจำกัดด้านการผลิตและการตรวจสอบที่เข้มงวดขึ้น |
| ลดความต้านทานการสัมผัส | ความทนทานของพื้นผิวหรือการแลกเปลี่ยนระหว่างการเคลือบผิว |
| เพิ่มความแข็งแรงของวัสดุ | ความสามารถในการขึ้นรูปต่ำกว่าในโลหะผสมหรือเหล็กอบบางชนิด |
ข้อกำหนดที่ถูกต้องจะช่วยปกป้องฟังก์ชันที่สำคัญโดยไม่สร้างข้อจำกัดที่ไม่จำเป็นให้กับทุกคุณสมบัติ การกำหนดข้อกำหนดที่มากเกินไปอาจเพิ่มต้นทุนและลดผลผลิตโดยไม่ปรับปรุงประสิทธิภาพของชุดอุปกรณ์
การเลือกวัสดุจะทำหลังจากพิจารณาข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพแล้ว
อย่าเริ่มต้นการเลือกวัสดุด้วยคำถามว่า “กราไฟต์หรือโลหะ?” ให้เริ่มต้นด้วยคุณสมบัติที่ต้องการ เช่น ค่าการนำไฟฟ้า ความต้านทานการกัดกร่อน การซึมผ่าน ความหนา ความแข็งแรง พฤติกรรมทางความร้อน ปริมาณการผลิต วิธีการเชื่อมต่อ กลยุทธ์การเคลือบ และต้นทุน
จากนั้นเปรียบเทียบวัสดุที่เหมาะสมที่สุด คู่มือของ TMNetch ครอบคลุมรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยว กับ แผ่นขั้วคู่กราไฟต์แผ่นขั้วคู่โลหะแผ่นขั้วคู่ไทเทเนียมและแผ่นขั้วคู่สแตนเลส 304 เทียบกับ 316L
แนวทางที่ยึดความต้องการเป็นหลักนี้จะช่วยป้องกันไม่ให้คุณสมบัติที่น่าดึงดูดเพียงข้อเดียวไปบดบังจุดอ่อนที่สำคัญในส่วนอื่น ๆ ของการออกแบบ
ข้อกำหนดต้องสามารถผลิตได้จริง
แบบร่างสามารถกำหนดลักษณะของแผ่นโลหะในอุดมคติได้ แต่กระบวนการที่เลือกต้องสามารถจำลองความหนา ความลึกของร่อง ความกว้างของพื้นผิว ช่องเปิด การจัดแนว ความเรียบ สภาพพื้นผิว การเคลือบผิว และรอยต่อต่างๆ ได้ตามปริมาตรที่ต้องการ
คุณลักษณะที่สำคัญต่อคุณภาพโดยทั่วไปได้แก่:
- ความหนาและความเรียบของแผ่น
- ความลึกของร่องน้ำและความกว้างของพื้นที่ขั้นต่ำ
- ขนาดของท่าเรือและตำแหน่งที่แท้จริง
- รูสำหรับจัดแนวและจุดอ้างอิง
- พื้นผิวการปิดผนึก
- ความต่อเนื่องและสภาพของสารเคลือบ
- ความสมบูรณ์ของรอยต่อหรือรอยเชื่อม
กระบวนการผลิตต้นแบบและการผลิตจริงอาจใช้เครื่องมือ การควบคุม การสุ่มตัวอย่าง และการตรวจสอบที่แตกต่างกัน ค่าความคลาดเคลื่อนของต้นแบบจึงไม่สามารถถ่ายทอดไปยังการผลิตจำนวนมากได้โดยไม่เปลี่ยนแปลงเสมอไป
คู่มือเปรียบเทียบกระบวนการผลิตแผ่นขั้วไฟฟ้าแบบสองขั้วอธิบายว่า การกัดด้วยสารเคมี การปั๊มขึ้นรูป การขึ้นรูปด้วยแรงดันน้ำ และการตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC ทำให้เกิดข้อดีข้อเสียที่แตกต่างกันอย่างไร สำหรับแผ่นโลหะที่ผ่านการกัด การตรวจสอบกระบวนการ ผลิตแผ่นขั้วไฟฟ้าแบบสองขั้วตามสั่ง ในระยะเริ่มต้น จะช่วยให้สามารถปรับแบบ วัสดุ คุณสมบัติของช่อง ความคลาดเคลื่อน การเคลือบ การเชื่อมต่อ และแผนการตรวจสอบให้สอดคล้องกันก่อนการสร้างต้นแบบ
รายการตรวจสอบคุณสมบัติแผ่นไบโพลาร์
ก่อนอนุมัติแผ่นอิเล็กโทรดสองขั้ว โปรดตรวจสอบสิ่งต่อไปนี้:
- ค่าการนำไฟฟ้าเป็นไปตามข้อกำหนดของโครงการ
- ASR จะถูกทดสอบที่แรงดันการบีบอัดที่กำหนดไว้
- ICR จะถูกตรวจสอบก่อนและหลังการสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้อง
- ความต้านทานการกัดกร่อนได้รับการตรวจสอบภายใต้สภาวะที่เป็นตัวแทนของเซลล์เชื้อเพลิง PEMFC
- การซึมผ่านของไฮโดรเจนและการรั่วไหลของส่วนประกอบต่างๆ เป็นไปตามข้อจำกัดที่แตกต่างกัน
- ความแข็งแรงเชิงกลเพียงพอสำหรับการอัดซ้อนและการเคลื่อนย้าย
- ความเรียบของแผ่นช่วยให้การสัมผัสและการปิดผนึกเป็นไปอย่างสม่ำเสมอ
- ขนาดของร่องน้ำ ท่าเรือ และจุดอ้างอิงตรงกับแบบร่าง
- มีการตรวจสอบความต่อเนื่อง การยึดเกาะ และขอบเขตของข้อบกพร่องของสารเคลือบ
- ขนาดที่สำคัญสามารถทำซ้ำได้ในแต่ละแผ่น
- เงื่อนไขการทดสอบและวิธีการคำนวณได้ถูกบันทึกไว้แล้ว
- เกณฑ์การยอมรับนั้นเชื่อมโยงกับข้อกำหนดของลูกค้าหรือโครงการ
สรุป
แผ่นขั้วไฟฟ้าที่ดีนั้นไม่เพียงแต่ต้องนำไฟฟ้าได้ดีหรือทนต่อการกัดกร่อนเท่านั้น แต่ต้องตรงตามข้อกำหนดด้านไฟฟ้า เคมีไฟฟ้า การกั้น การเชิงกล ความร้อน ขนาด พื้นผิว และกระบวนการผลิตไปพร้อมๆ กันด้วย
ข้อกำหนดขั้นสุดท้ายควรระบุทั้งค่าเป้าหมายและเงื่อนไขการทดสอบที่ใช้ในการตรวจสอบ วิศวกรควรแยกเป้าหมายการวิจัยออกจากเกณฑ์การยอมรับโครงการ และประเมินความต้านทานการสัมผัสควบคู่ไปกับพฤติกรรมการกัดกร่อนด้วย
สำหรับแผ่นขั้วไฟฟ้าโลหะแบบกัดลาย การตรวจสอบ DFM ในช่วงเริ่มต้นสามารถช่วยปรับรูปทรงของช่องสัญญาณ ความหนาของแผ่น ความคลาดเคลื่อน การเคลือบผิว การเชื่อมต่อ และข้อกำหนดการตรวจสอบให้สอดคล้องกันก่อนการผลิตต้นแบบ ซึ่งจะช่วยลดการออกแบบใหม่ที่ไม่จำเป็น และทำให้การจำลอง การทดสอบ และข้อมูลจากซัพพลายเออร์สามารถเปรียบเทียบได้ง่ายขึ้น
