อิทธิพลของโครงสร้างแผ่นขั้วคู่ต่อประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง

I. บทนำ:

ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของการขนส่งทั่วโลก การบริโภคปิโตรเลียมของประเทศต่างๆ ทั่วโลกจึงเพิ่มขึ้น ในบรรดาการบริโภคเหล่านี้ การใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในอย่างแพร่หลายได้นำไปสู่มลพิษทางอากาศอย่างรุนแรงและทำให้ปรากฏการณ์เรือนกระจกทวีความรุนแรงขึ้น เพื่อแก้ไขปัญหานี้ องค์การสหประชาชาติ สหภาพยุโรป และ IPCC ต่างเห็นพ้องต้องกันในเรื่องหนึ่งคือ เราต้องบรรลุเป้าหมายความเป็นกลางทางคาร์บอนภายในปี 2050 การตัดสินใจนี้หมายความว่าปริมาณการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ต้องสมดุลกับปริมาณคาร์บอนที่ถูกดูดซับในชั้นบรรยากาศ ดังนั้น ภายในเวลาไม่ถึง 30 ปี เราต้องลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อบรรลุเป้าหมายความเป็นกลางทางคาร์บอนและปกป้องโลกในที่สุด แล้วเราจะบรรลุเป้าหมายความเป็นกลางทางคาร์บอนได้อย่างไร และเราควรเลือกเส้นทางใด?

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ เซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานสะอาดที่ปราศจากมลพิษ จะกลายเป็นแรงขับเคลื่อนหลักสำหรับความเป็นกลางทางคาร์บอนอย่างไม่ต้องสงสัย แผ่นไบโพลาร์ ซึ่งเป็นหนึ่งในส่วนประกอบหลักของเซลล์เชื้อเพลิง PEM มีอิทธิพลโดยตรงต่ออัตราการใช้ประโยชน์ของก๊าซที่ทำปฏิกิริยา และประสิทธิภาพการระบายและระบายความร้อนของเซลล์เชื้อเพลิง บทความนี้รวบรวมและสรุปข้อมูลที่เกี่ยวข้อง โดยจัดระเบียบหน้าที่พื้นฐานหกประการที่แผ่นไบโพลาร์จำเป็นต้องมีในเซลล์เชื้อเพลิง:

แยกเซลล์แต่ละเซลล์ออกจากกันในกองเซลล์;

ขนส่งออกซิเจนและไฮโดรเจน;

จัดหาจุดเชื่อมต่อไฟฟ้าและนำกระแสไฟฟ้า;

กำจัดผลพลอยได้ เช่น น้ำ;

ระบายความร้อนจากปฏิกิริยาผ่านสารหล่อเย็น;

ทนทานต่อแรงยึดของชุดประกอบแบบเรียงซ้อน

โดยอิงจากฟังก์ชันพื้นฐานทั้งหกข้างต้น การออกแบบแผ่นไบโพลาร์จำเป็นต้องตรงตามข้อกำหนดพื้นฐานเก้าประการต่อไปนี้:

ทนทานต่อการกัดกร่อนสูง;

ความต้านทานต่ำและการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม

การนำความร้อนที่ดีช่วยควบคุมอุณหภูมิของเซลล์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การสูญเสียแรงดันปานกลางที่ทางเข้าและทางออก

ง่ายต่อการแปรรูปและขึ้นรูป;

มีระบบระบายน้ำที่ดีเยี่ยม

น้ำหนักเบา;

ความแข็งแรงเชิงกลสูง

ราคาถูก.

เพื่อให้บรรลุฟังก์ชันและข้อกำหนดพื้นฐานข้างต้น สิ่งที่สำคัญที่สุดคือการออกแบบโครงสร้างของแผ่นไบโพลาร์ การออกแบบแผ่นไบโพลาร์สามารถแบ่งออกเป็นรูปแบบสนามการไหลและโครงสร้างช่องทาง โครงสร้างช่องทางประกอบด้วยขนาดของพื้นที่กระจายของเหลว โครงสร้างของพื้นที่เบี่ยงเบน ความยาวและจำนวนของช่องทาง อัตราส่วนของความกว้างของช่องทางต่อความกว้างของสัน การออกแบบช่องทาง และผลกระทบต่อประสิทธิภาพของเซลล์

ต่อไปนี้ ผมจะกล่าวถึงภาพรวมของประเด็นสำคัญสองประการในการออกแบบ ได้แก่ รูปทรงของสนามการไหลและโครงสร้างของช่องทางการไหลของแผ่นไบโพลาร์ โดยจะเน้นที่จุดสำคัญ ข้อดีและข้อเสียของรูปทรงช่องทางการไหลแบบต่างๆ ผ่านการทบทวนวรรณกรรมและการศึกษาจำลอง ผมจะอธิบายผลกระทบของรูปทรงช่องทางการไหลที่แตกต่างกันต่อประสิทธิภาพของแผ่นไบโพลาร์

II. รูปแบบช่องแผ่นไบโพลาร์

นับตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1970 รูปทรงของช่องในแผ่นไบโพลาร์นั้นเรียบง่ายมาก โดยส่วนใหญ่ประกอบด้วยช่องตรงและช่องคดเคี้ยวแบบง่ายๆ ตั้งแต่ทศวรรษ 1980 จนถึงปัจจุบัน เมื่อนักวิจัยศึกษาโครงสร้างช่องของแผ่นไบโพลาร์อย่างลึกซึ้งมากขึ้น พวกเขาค้นพบผลกระทบของโครงสร้างช่องต่อประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง จึงเริ่มมีการออกแบบช่องที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น ช่องคดเคี้ยวหลายชั้น ช่องสลับซับซ้อน ช่องแบบตาราง และแม้แต่ช่องเลียนแบบชีวภาพ ดังแสดงในรูปด้านล่าง:

2.1 ช่องทางตรง

ช่องทางตรงประกอบด้วยเส้นตรงหลายเส้นที่จัดเรียงขนานกัน ข้อดีของช่องทางตรง ได้แก่ การประมวลผลที่ง่าย ความต้านทานการไหลต่ำ และการสูญเสียแรงดันที่ทางเข้าและทางออกของของเหลวน้อย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเป็นการออกแบบแบบขนาน ความแตกต่างของแรงดันระหว่างช่องทางจึงมีน้อย ส่งผลให้การพาความร้อนแบบบังคับระหว่างช่องทางที่อยู่ติดกันอ่อนแอ ดังนั้น ก๊าซที่ทำปฏิกิริยาจึงต้องอาศัยการแพร่กระจายเพื่อเข้าสู่ชั้นการแพร่กระจายของก๊าซ (GDL) เพื่อทำปฏิกิริยาเป็นหลัก นอกจากนี้ เนื่องจากอัตราการไหลของก๊าซต่ำ น้ำเหลวที่สะสมอยู่ใต้สันและที่ขอบของช่องทางจึงไม่ถูกขับออกไปได้ง่าย ทำให้เกิดการท่วมของอิเล็กโทรด ซึ่งส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพโดยรวมของเซลล์

ต่อไป เราจะศึกษาแบบแผนการกระจายตัวของความดันตกคร่อมที่ทางเข้าและทางออกของช่องที่มีความยาวและโครงสร้างแตกต่างกัน โดยใช้ช่องที่มีความลึก 0.4 มม. และความกว้าง 0.5 มม. รูปด้านล่างแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันตกคร่อมและความยาวของช่องสำหรับช่องที่มีความยาวต่างกันตั้งแต่ 100 มม. ถึง 500 มม. เห็นได้ชัดว่าเมื่อความยาวของช่องเพิ่มขึ้น ความดันตกคร่อมที่ทางเข้าและทางออกจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรง ที่อัตราการไหล 10 ม³/วินาที ความดันตกคร่อมจะเพิ่มขึ้นประมาณ 1.5 กิโลปาสคาล สำหรับทุกๆ 50 มม. ที่ความยาวของช่องเพิ่มขึ้น (หมายเหตุ: ข้อมูลได้มาจากอินเทอร์เน็ต ควรตรวจสอบข้อมูลจริงอีกครั้ง)

นักวิจัยยังได้เปรียบเทียบช่องทางตรงที่มีความยาว 280 มม. กับช่องทางหยัก ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่า ผลกระทบต่อการลดลงของความดันสำหรับช่องทางหยักนั้นเทียบเท่ากับการเพิ่มความยาวของช่องทางตรงขึ้น 200 มม. ซึ่งพิสูจน์ได้ว่า ช่องทางหยักสามารถเพิ่มการลดลงของความดันขาเข้าได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนความยาวของช่องทาง นอกจากนี้ ความปั่นป่วนที่เกิดจากส่วนโค้งในช่องทางหยักส่งผลให้การกระจายตัวของของเหลวสม่ำเสมอยิ่งขึ้น ระดับความโค้งและจำนวนส่วนโค้งในช่องทางหยักก็ส่งผลต่อการลดลงของความดันเช่นกัน ข้อมูลนี้อธิบายได้ว่าทำไมผู้ผลิตหลายรายจึงให้ความสำคัญกับการออกแบบช่องทางหยักที่ดีขึ้นกว่าช่องทางตรง

นอกจากนี้ ช่องทางตรงยังรวมถึงการกำหนดค่าแบบหนึ่งต่อสองและหนึ่งต่อหลายด้วย รูปด้านล่างศึกษาการกระจายของของเหลวในสถานการณ์หนึ่งต่อสอง หนึ่งต่อสี่ และหนึ่งต่อแปด โดยสรุปได้ว่าการแบ่งเป็นสองช่วยให้การกระจายการไหลสม่ำเสมอในบริเวณการไหลได้ง่ายกว่า

เพื่อแก้ไขปัญหาที่เกิดขึ้นกับรางน้ำตรง นักออกแบบรางน้ำจึงได้เสนอแนวทางแก้ไขดังต่อไปนี้:

1. ลดขนาดช่องทางเพื่อเพิ่มอัตราการไหลของก๊าซ ทำให้ระบายน้ำที่เกิดขึ้นได้ง่ายขึ้นและป้องกันน้ำท่วม

2. ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันในหน้าตัดของช่องทางการไหลเพื่อเพิ่มความปั่นป่วน ส่งผลให้ก๊าซขยายตัวและหดตัวในแนวราบขนานกับชั้นการแพร่กระจาย ซึ่งจะช่วยเพิ่มความสามารถในการแพร่กระจายของก๊าซที่ทำปฏิกิริยาได้

3. เพิ่มบริเวณนำทางเพื่อให้การไหลของของเหลวสม่ำเสมอยิ่งขึ้น

4. ออกแบบช่องทางการไหลแบบแยกส่วน โดยให้ของเหลวถูกเบี่ยงเบนจากช่องทางหลักไปยังช่องทางย่อยหลายช่อง แล้วจึงรวมกันอีกครั้ง เพื่อเพิ่มแรงดันตกและเพิ่มประสิทธิภาพการใช้สารตั้งต้น

2.2 ช่องทางคดเคี้ยว

ช่องทางไหลแบบคดเคี้ยวทางเดียวเป็นรูปแบบช่องทางไหลที่ถูกเสนอขึ้นมาเป็นครั้งแรก ช่องทางไหลประเภทนี้มีข้อดีคือ การกระจายการไหลที่สม่ำเสมอ การระบายน้ำอย่างรวดเร็ว และทนต่อการอุดตัน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความยาวที่ค่อนข้างมากของช่องทางไหลแบบคดเคี้ยว ทำให้เกิดการลดลงของความดันของของเหลวอย่างมาก ซึ่งอาจนำไปสู่การถ่ายเทมวลที่ไม่เพียงพอในขั้นตอนต่อมา การกระจายก๊าซที่ไม่สม่ำเสมอ และความหนาแน่นของกระแสที่ไม่สม่ำเสมอ เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ นักวิจัยจึงได้พัฒนาการออกแบบช่องทางไหลแบบคดเคี้ยวหลายทางโดยอิงจากช่องทางไหลแบบคดเคี้ยวทางเดียว

แม้ว่าการออกแบบท่อคดเคี้ยวหลายเส้นทางจะช่วยปรับปรุงปัญหาเหล่านี้ได้ แต่ก็ไม่สามารถแก้ไขได้อย่างครบถ้วน นอกจากนี้ ท่อคดเคี้ยวหลายเส้นทางยังทำให้การประมวลผลยากขึ้น สาเหตุหลักคือ ท่อคดเคี้ยวถูกจัดเรียงแบบอนุกรมและขนาน โดยมีความแตกต่างของความดันระหว่างท่อที่อยู่ติดกัน ทำให้ก๊าซไหลผ่านสันของท่อแผ่นไบโพลาร์และเข้าสู่ท่ออื่นผ่าน GDL ส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์ "ไฟฟ้าลัดวงจร" ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากความยาวของท่อคดเคี้ยวยังคงค่อนข้างยาว จึงยังคงมีการลดลงของความดันอย่างมากที่ทางเข้าและทางออกของก๊าซ ส่งผลให้การกระจายตัวของก๊าซที่ทำปฏิกิริยาไม่สม่ำเสมอ และส่งผลให้ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าและการกระจายความร้อนไม่สม่ำเสมอด้วย

นักวิจัยได้ศึกษาผลกระทบของตำแหน่งการโค้งงอแต่ละจุดในท่อคดเคี้ยวต่อการลดลงของความดันเป็นครั้งแรก สำหรับท่อที่มีความยาวเท่ากัน พวกเขาได้ตรวจสอบตำแหน่งการโค้งงอที่แตกต่างกัน และพบว่าตำแหน่งการโค้งงอในท่อคดเคี้ยวนั้นแทบไม่มีผลต่อการลดลงของความดันโดยรวมเลย

จากนั้น นักวิจัยได้ศึกษาผลกระทบของมุมโค้งงอตั้งแต่ 30° ถึง 135° ต่อการลดลงของความดัน ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่า เมื่อมุมโค้งงอเพิ่มขึ้น การลดลงของความดันจะค่อยๆ ลดลง อัตราการลดลงของความดันระหว่าง 30° ถึง 90° สูงกว่าระหว่าง 90° ถึง 135° ซึ่งบ่งชี้ว่าอัตราการลดลงของความดันสำหรับมุมโค้งงอแหลมนั้นสูงกว่าสำหรับมุมโค้งงอป้าน

เพื่อแก้ไขปัญหาที่เกิดขึ้นกับร่องน้ำที่มีลักษณะคดเคี้ยว นักออกแบบร่องน้ำจึงได้เสนอแนวทางแก้ไขดังต่อไปนี้:

เพิ่มความหนาแน่นของช่องทาง

ค่อยๆ บีบส่วนกลางของช่องทางให้แคบลง

ขยายช่องทางการจำหน่าย

เพิ่มโครงสร้างความปั่นป่วน

นำแบบร่างการออกแบบมาใช้เป็นแนวทาง

คำแนะนำเหล่านี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและประสิทธิผลของช่องทางคดเคี้ยวให้ดียิ่งขึ้น

2.3 ช่องสัญญาณแบบสลับฟันปลา

สนามการไหลแบบสลับซับซ้อน หรือที่เรียกว่าสนามการไหลแบบไม่ต่อเนื่อง ปัจจุบันยังไม่เป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย สาเหตุหลักมาจากช่องทางเข้าและออกไม่ได้เชื่อมต่อกัน ทำให้ก๊าซที่ทำปฏิกิริยาต้องไหลผ่านชั้นกระจายก๊าซ (GDL) เพื่อออกจากช่องทาง ซึ่งจะทำให้เกิดการพาความร้อนแบบบังคับอย่างรุนแรงใต้สันนูน ขับไล่น้ำออกจาก GDL และเพิ่มอัตราการขนส่งของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงอย่างมาก อย่างไรก็ตาม การพาความร้อนแบบบังคับใต้สันนูนส่งผลให้เกิดการลดลงของความดันอย่างมากและการสูญเสียความดันอย่างรุนแรงที่ทางเข้าและทางออกของก๊าซ ซึ่งอาจทำให้ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาเสียหายได้ หากการออกแบบไม่เหมาะสม อาจเกิดการลัดวงจร ลดประสิทธิภาพการใช้ประโยชน์ของสารตั้งต้นและอิเล็กโทรด

2.4 ช่องตาราง

ช่องตะแกรงเกี่ยวข้องกับการจัดเรียงสิ่งกีดขวางในรูปแบบที่สม่ำเสมอ บนพื้นผิวของแผ่นไบโพลาร์ ทำให้เกิดช่องทางที่วิ่งระหว่างทางเข้าและทางออกของของเหลว ซึ่งทำให้ของเหลวไหลผ่านสิ่งกีดขวาง ส่งผลให้ก๊าซที่ทำปฏิกิริยาขยายตัวและหดตัวอย่างต่อเนื่องในบริเวณการไหล จึงช่วยเพิ่มความปั่นป่วนของของเหลว ผลที่ได้คือ ช่องตะแกรงช่วยให้ก๊าซที่ทำปฏิกิริยาสัมผัสกับชั้นการแพร่กระจายได้อย่างเต็มที่ ช่วยให้การแลกเปลี่ยนความร้อนกับชั้นการแพร่กระจายมีประสิทธิภาพ และช่วยระบายความร้อนออกไป อย่างไรก็ตาม เนื่องจากก๊าซที่ทำปฏิกิริยามีเส้นทางให้เลือกหลายเส้นทาง จึงมีแนวโน้มที่จะไหลผ่านช่องทางที่มีความต้านทานต่ำกว่า ทำให้การกระจายตัวของก๊าซไม่สม่ำเสมอ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ สามารถปรับรูปร่างและรูปแบบของสิ่งกีดขวางให้เหมาะสม เพื่อเพิ่มอัตราการใช้ก๊าซที่ทำปฏิกิริยา ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง

2.5 ช่องทางเลียนแบบชีวภาพ

ช่องทางเลียนแบบธรรมชาติมักถูกออกแบบโดยเลียนแบบปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ เช่น การเรียงตัวของกิ่งก้านบนต้นไม้ เส้นใบ หรือเครือข่ายหลอดเลือดในระบบหัวใจและหลอดเลือดของมนุษย์ การออกแบบเหล่านี้ใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่จากการกระจายตัวของของเหลวที่สม่ำเสมอในระบบชีวภาพ ทำให้มั่นใจได้ว่าก๊าซที่ทำปฏิกิริยาจะถูกนำไปใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่ หลักการคือการจัดเรียงช่องทางหลักและช่องทางรองอย่างเหมาะสม เพื่อให้ก๊าซที่ทำปฏิกิริยากระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ ในช่องทางเลียนแบบธรรมชาติ ก๊าซที่ทำปฏิกิริยาจะแยกและรวมกันอย่างต่อเนื่อง ทำให้เกิดความปั่นป่วนและส่งเสริมการดูดซับและการใช้ประโยชน์ของก๊าซ แม้ว่าอัตราการไหลในช่องทางเลียนแบบธรรมชาติจะต่ำกว่าในช่องทางแบบคดเคี้ยวหรือแบบสลับซับซ้อน แต่การลดลงของความดันยังคงอยู่ในระดับต่ำ ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงให้ดียิ่งขึ้น

IIIโครงสร้างของส่วนอื่นๆ ของแผ่นไบโพลาร์

ประสิทธิภาพของแผ่นไบโพลาร์ไม่เพียงแต่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับโครงสร้างของช่องทางเท่านั้น แต่ยังได้รับอิทธิพลจากขนาดของพื้นที่ทางเข้าและทางออก การจัดเรียงของโซนเปลี่ยนผ่านของสารตั้งต้น และขนาดของช่องทางในพื้นที่ปฏิกิริยาด้วย ต่อไปนี้ เราจะมาดูผลกระทบของทั้งสามด้านนี้ต่อประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงโดยสังเขป

3.1 บริเวณทางเข้าและทางออก

ปัจจุบัน บริเวณทางเข้าและทางออกของแผ่นไบโพลาร์ส่วนใหญ่จะอยู่บริเวณขอบด้านนอก บริเวณเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นบริเวณนำของเหลว ทำให้ก๊าซที่ทำปฏิกิริยาและสารหล่อเย็นไหลเข้าและออกจากแผ่นไบโพลาร์ผ่านทางช่องทางเข้าและออก การจัดเรียงและขนาดของบริเวณเหล่านี้ก็เป็นปัจจัยที่มีผลต่อประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงเช่นกัน

สำหรับการจัดวางตำแหน่งทางเข้าและทางออก เพื่อให้เกิดความสมดุลในการจัดการความร้อนของน้ำและความชื้นของก๊าซที่ทำปฏิกิริยา ตำแหน่งทางเข้าและทางออกของแผ่นไบโพลาร์ได้รับการออกแบบให้ทางเข้าอากาศที่มีความชื้นต่ำอยู่ด้านที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ซึ่งช่วยให้เกิดการเพิ่มความชื้นผ่านการแพร่ของน้ำจากปลายขั้วบวก ในขณะที่ทางออกอากาศที่มีความชื้นสูงอยู่ด้านที่มีอุณหภูมิสูงกว่า ซึ่งสอดคล้องกับทางเข้าไฮโดรเจนที่มีความชื้นต่ำ การออกแบบโดยรวมนี้เป็นประโยชน์ต่อการกระจายปริมาณน้ำอย่างสม่ำเสมอภายในเซลล์เชื้อเพลิง

ในส่วนของขนาดทางเข้าและทางออกนั้น งานวิจัยชี้ให้เห็นว่าพื้นที่หน้าตัดของทางเข้าควรมีขนาดใหญ่กว่าหรือเท่ากับพื้นที่หน้าตัดขั้นต่ำของช่องทางคูณด้วยจำนวนช่องทาง โดยทั่วไปแล้ว ขนาดสัมพัทธ์ของทางเข้าและทางออกจะสมมาตรกัน อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาแผ่นขั้วคู่ (Bipolar plates) บริษัทผู้ผลิตรถยนต์และพลังงานบางแห่งได้เสนอแผ่นอิเล็กโทรดเซลล์เชื้อเพลิงแบบไม่สมมาตร โดยมีพื้นที่หน้าตัดของทางออกขั้วบวกและขั้วลบใหญ่กว่าทางเข้า การออกแบบนี้แสดงให้เห็นถึงความสม่ำเสมอที่ดีขึ้นในการกระจายตัวของก๊าซที่ทำปฏิกิริยา

3.2 โซนการเปลี่ยนผ่านของสารตั้งต้น

บริเวณเปลี่ยนผ่านของสารตั้งต้นคือบริเวณที่ก๊าซทำปฏิกิริยาและสารหล่อเย็นเข้าสู่โซนปฏิกิริยา หน้าที่หลักของมันคือการนำทางการไหลของสารเหล่านี้เข้าสู่โซนปฏิกิริยา การออกแบบแผ่นไบโพลาร์บางแบบรวมบริเวณเปลี่ยนผ่านเข้ากับช่องทางเดิน ในขณะที่บางแบบมีบริเวณเปลี่ยนผ่านที่ออกแบบแยกต่างหาก บริเวณเปลี่ยนผ่านที่ออกแบบแยกต่างหากมักใช้การจัดเรียงช่องทางเดินแบบตาราง/เมทริกซ์จุด ทำให้สามารถกระจายก๊าซในบริเวณเปลี่ยนผ่านก่อนที่จะเข้าสู่ช่องทางเดินได้

3.3 ขนาดช่องทางพื้นที่ปฏิกิริยา

ขนาดของช่องในบริเวณปฏิกิริยาเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของก๊าซทำปฏิกิริยาและสารหล่อเย็น ขนาดของช่องสามารถแบ่งออกเป็น ความกว้างของช่อง ความกว้างของสัน และความลึกของช่อง

3.3.1 ความกว้างของช่อง

ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าความกว้างของช่องทางที่แตกต่างกันส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพ การลดลงของความดัน และการกระจายตัวของก๊าซในเซลล์เชื้อเพลิง ดังนี้:

การลดความกว้างของช่องทางช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงได้

ช่องทางน้ำที่แคบลงจะช่วยลดความแตกต่างของความเร็วการไหลระหว่างช่องทางน้ำที่อยู่ติดกัน ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการกระจายการไหลให้สม่ำเสมอยิ่งขึ้น

การลดขนาดของช่องทางส่งผลให้ความเข้มข้นของออกซิเจนเฉลี่ยและความสม่ำเสมอของออกซิเจนเพิ่มขึ้นแบบไม่เป็นเชิงเส้น ส่งผลให้เพิ่มอัตราการแปลงออกซิเจน

3.3.2 ความกว้างของสันหลังคา

จากค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุอิเล็กโทรดและแผ่นไบโพลาร์ จะมีค่าที่เหมาะสมสำหรับพื้นที่ของร่องสนามการไหล ซึ่งหมายความว่าอัตราส่วนของความกว้างของช่องต่อความกว้างของสันจะมีค่าที่เหมาะสม อัตราส่วนของพื้นที่ร่องต่อพื้นที่ทั้งหมดของแผ่นไบโพลาร์เรียกว่าค่าความพรุนของแผ่นไบโพลาร์ งานวิจัยระบุว่าค่าความพรุนควรอยู่ระหว่าง 40% ถึง 75% ค่าความพรุนที่สูงเกินไปจะทำให้เกิดความต้านทานการสัมผัสมากเกินไประหว่างอิเล็กโทรดและแผ่นไบโพลาร์ ส่งผลให้การสูญเสียโพลาไรเซชันโอห์มิกของเซลล์เพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน ค่าความพรุนที่ต่ำเกินไปจะส่งผลให้พื้นที่ปฏิกิริยาไม่เพียงพอเนื่องจากบริเวณช่องมีขนาดเล็กเกินไป

3.3.3 ความลึกของร่องน้ำ

จากการศึกษาพบว่า ในช่วงความลึกที่กำหนด ยิ่งช่องทางการไหลตื้นเท่าไร ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม หากช่องทางการไหลตื้นเกินไป อาจทำให้เกิดการสูญเสียแรงดันมากเกินไป เมื่อพิจารณาถึงผลกระทบของความลึกของช่องทางการไหลต่อการสูญเสียแรงดันและความเข้มข้นของก๊าซ ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดจะเกิดขึ้นเมื่อความลึกของช่องทางการไหลอยู่ที่ 0.6 มม. (ข้อมูลนี้อ้างอิงจากการทดสอบจำลอง และข้อมูลจริงอาจแตกต่างกันไปตามปัจจัยต่างๆ)

โดยสรุป ภายใต้เงื่อนไขอัตราการไหลของก๊าซที่กำหนด การลดความลึกและความกว้างของช่องทางอย่างเหมาะสมสามารถเพิ่มความเร็วการไหลของก๊าซ เพิ่มความเข้มข้นของก๊าซที่เข้าสู่ชั้น GDL และชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา และเพิ่มประสิทธิภาพการระบายน้ำและการกระจายความร้อนของสนามการไหล อย่างไรก็ตาม เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียแรงดันมากเกินไปในช่องทางและความต้านทานการสัมผัสสูงระหว่างแผ่นไบโพลาร์และ GDL ความกว้างและความลึกของช่องทางไม่ควรเล็กเกินไป

Outlook

รูปทรงและโครงสร้างของช่องในแผ่นไบโพลาร์ ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของเซลล์เชื้อเพลิง ส่งผลโดยตรงต่ออัตราการใช้ประโยชน์ของก๊าซที่ทำปฏิกิริยาและประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง ปัจจุบัน รูปทรงที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดคือช่องตรงและช่องคดเคี้ยว โดยการปรับปรุงส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่ขนาดและโครงสร้างของช่องเหล่านี้

ในกลุ่มลูกค้าที่สั่งทำแผ่นไบโพลาร์แบบกำหนดเองของ TMN นอกเหนือจากการปรับแต่งโครงสร้างช่องทาง พื้นที่ทางเข้าและทางออก โซนการเปลี่ยนผ่านของสารตั้งต้น และขนาดช่องทางพื้นที่ปฏิกิริยาที่กล่าวมาข้างต้นแล้ว ยังมีความต้องการด้านการผลิตแผ่นไบโพลาร์ที่หลากหลายอีกด้วย สองกรณีที่พบได้บ่อยที่สุดมีดังต่อไปนี้:

กรณีคลาสสิกที่ 1: การเคลือบผิว

กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการชุบแพลทินัมด้วยไฟฟ้าบนด้านหนึ่งของแผ่นไบโพลาร์ และชุบ MMO (โลหะผสมออกไซด์) บนอีกด้านหนึ่ง

เคสคลาสสิก 2: ช่องความลึกสองระดับ

กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการกัดเซาะร่องที่มีความลึกต่างกันสองระดับบนด้านเดียวกันของแผ่นไบโพลาร์ ตัวอย่างเช่น หากความหนารวมของแผ่นไบโพลาร์คือ 2.0 มม. สามารถกัดเซาะร่องที่มีความลึก 0.6 มม. และ 0.4 มม. บนด้านหนึ่ง ในขณะที่กัดเซาะร่องที่มีความลึก 0.5 มม. บนอีกด้านหนึ่งได้

TMN ลงทุนในการวิจัยเกี่ยวกับการผลิตแผ่นไบโพลาร์ทุกปี เทคโนโลยีการผลิตก้าวหน้าไปพร้อมกับการพัฒนาแผ่นไบโพลาร์ ทำให้ได้รับการสนับสนุนทางเทคนิคที่เชื่อถือได้สำหรับการวิจัยและพัฒนาแผ่นไบโพลาร์ หากคุณกำลังทำการวิจัยเกี่ยวกับแผ่นไบโพลาร์และต้องการการสนับสนุนทางเทคนิค โปรดฝากข้อความไว้ เราจะติดต่อกลับโดยเร็วที่สุดเพื่อมอบโซลูชันที่ดีที่สุดและการสนับสนุนทางเทคนิคขั้นสูงให้แก่คุณ

เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเทคโนโลยีแผ่นไบโพลาร์ของ TMN >>>

อ่านบทความที่เกี่ยวข้องเพิ่มเติม:
ทำความเข้าใจเกี่ยวกับแผ่นขั้วคู่กราไฟต์: ส่วนประกอบสำคัญของเซลล์เชื้อเพลิง

วัสดุและการผลิตแผ่นขั้วคู่ของเซลล์เชื้อเพลิง

หน้าที่ของแผ่นขั้วคู่ในเซลล์เชื้อเพลิง

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับแผ่นขั้วโลหะสองขั้วสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง PEM