01 บทนำ
เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่สามารถแปลงพลังงานปลอดสารเคมีให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยตรง จะผลิตเฉพาะน้ำเป็นผลพลอยได้หลังปฏิกิริยา มีข้อดีต่างๆ เช่น ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน อัตราการแปลงพลังงานสูง ความน่าเชื่อถือสูง การสตาร์ทเครื่องอย่างรวดเร็ว-ที่อุณหภูมิห้อง และอายุการใช้งานที่ยาวนาน [1] คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้ PEMFC มีโอกาสในการใช้งานในวงกว้างและมีศักยภาพทางการตลาดในการใช้งานแบบอยู่กับที่ (เช่น สถานีฐานการสื่อสาร ความร้อนและพลังงานรวม) แอพพลิเคชันเคลื่อนที่ (เช่น รถยนต์ เรือเดินทะเล) และแอพพลิเคชันแบบพกพา (เช่น คอมพิวเตอร์ กล้องถ่ายรูป) พวกเขาได้รับการยกย่องว่าเป็นวิธีการผลิตไฟฟ้าวิธีที่สี่ รองจากพลังงานความร้อน พลังงานน้ำ และพลังงานนิวเคลียร์ [2]
แผ่นไบโพลาร์ (BP) ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของ PEMFC ทำหน้าที่หลักในการแยกและกระจายสารออกซิแดนท์และเชื้อเพลิง นำกระแสไฟฟ้า รองรับการประกอบอิเล็กโทรดเมมเบรน และควบคุมอุณหภูมิปล่องภายใน [3] เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดในการใช้งานเซลล์เชื้อเพลิง BP ต้องมีความสามารถในการซึมผ่านของก๊าซที่ดีเยี่ยม การนำไฟฟ้าและความต้านทานการกัดกร่อนที่ดี การนำความร้อนที่เพียงพอ และคุณสมบัติทางกล [3] ในขณะเดียวกัน BP ในปัจจุบันคิดเป็นประมาณ 80% ของน้ำหนักและปริมาตรของ PEMFC และประมาณ 50% ของต้นทุน ในขณะที่รับประกันข้อกำหนดด้านการทำงาน การทำให้ BP มีความบางและเบาที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงาน PEMFC และลดต้นทุนการผลิต การปฏิบัติแสดงให้เห็นว่าการปรับประสิทธิภาพของเพลตไบโพลาร์ให้เหมาะสมสามารถเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานสแต็กได้ประมาณ 20% ถึง 6–9 กิโลวัตต์/ลิตร [3] ดังนั้นการปรับปรุงวัสดุและกระบวนการผลิตของ BP จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพของ PEMFC
เป้าหมายประสิทธิภาพของ DOE สำหรับเพลตไบโพลาร์(ละเว้นตาราง)
แผนภาพโครงสร้าง PEMFC(ละเว้นตัวเลข)
02 การจำแนกประเภทและการวิเคราะห์ศักยภาพการใช้งานของเพลตไบโพลาร์
ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของวัสดุ แผ่นไบโพลาร์ส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสี่ประเภท: แผ่นไบโพลาร์กราไฟท์, แผ่นไบโพลาร์กราไฟท์ที่มีความยืดหยุ่น, แผ่นไบโพลาร์โลหะ และแผ่นไบโพลาร์คอมโพสิต [4]
2.1 แผ่นกราไฟท์ไบโพลาร์
กราไฟท์เป็นหนึ่งในวัสดุซับสเตรตยุคแรกๆ ที่พัฒนาขึ้นสำหรับ BP โดยมีความหนาแน่นต่ำ ทนต่อการกัดกร่อนได้ดี และต้านทานการสัมผัสชั้นการแพร่กระจายของก๊าซต่ำ อย่างไรก็ตาม กราไฟท์ BP มีความพรุนค่อนข้างสูง ทำให้ยากต่อการปฏิบัติตามข้อกำหนด-ความหนาแน่นของก๊าซ นอกจากนี้ กราไฟท์ยังมีความแข็งแรงและเปราะต่ำ ดังนั้นเพลตที่เสร็จแล้วจึงมีความหนากว่า BP โลหะอย่างมาก [2]
การวิจัยเกี่ยวกับกราไฟท์ BP มุ่งเน้นไปที่วัสดุกราไฟท์และวิธีการชุบ แม้ว่าจะมีความคืบหน้าบางประการในการปรับปรุงความหนาแน่นของก๊าซและความแข็งแรงของโครงสร้าง แต่ก็ยังขาดข้อกำหนดในการปฏิบัติงานของ PEMFC [2]
ตามประเภทของวัสดุ BP กราไฟท์สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท:
BP กราไฟท์แข็งหรือที่เรียกว่าแผ่นกราไฟท์ที่กลึงด้วยเครื่องจักร ซึ่งส่วนใหญ่ทำจากผลพลอยได้จากเชื้อเพลิงฟอสซิล ผ่านกระบวนการเผา การทำให้มีขึ้นในสุญญากาศ การทำกราไฟท์ที่อุณหภูมิสูง- จากนั้นจึงกลึงด้วย CNC เพื่อสร้างช่องทางการไหลเฉพาะ แต่ละชุดต้องใช้เครื่องจักร CNC ส่งผลให้มีต้นทุนค่อนข้างสูง สิ่งเหล่านี้ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการพัฒนาการออกแบบ และส่วนแบ่งการตลาดในการผลิตจำนวนมากจะค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยประเภทอื่นๆ [5]
BP กราไฟท์แบบยืดหยุ่นหรือที่เรียกว่าแผ่นขึ้นรูปหรือ BP กราไฟท์ขยาย โดยทั่วไปผลิตขึ้นโดยการผสมกราไฟท์ขยายกับผงเรซินโพลีเมอร์ตามด้วยการขึ้นรูป หรือโดยการชุบแผ่นกราไฟท์ขยายขยาย{0}}ที่อัดไว้ล่วงหน้า กราไฟท์ BP ที่ยืดหยุ่นมีน้ำหนักเบา ทนต่อการกัดกร่อน- และเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ทำให้เป็นวัสดุในอุดมคติ แต่มีข้อบกพร่องในด้านคุณสมบัติทางกลและความหนาแน่นของก๊าซ [2]
2.2 แผ่นโลหะสองขั้ว
วัสดุโลหะ BP ส่วนใหญ่ประกอบด้วยอลูมิเนียม สแตนเลส ไทเทเนียม และโลหะผสมนิกเกิล [3]
BP โลหะมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดี ความหนาแน่นของก๊าซ และความแข็งแรงในการดัดงอ นอกจากนี้ เนื่องจากความเหนียวที่ดีเยี่ยมของโลหะ จึงสามารถสร้างแผ่นบางที่มีโครงสร้างสนามการไหลได้โดยการปั๊ม ซึ่งช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตรของ PEMFC ได้อย่างมีนัยสำคัญ [2] อย่างไรก็ตาม BP ที่เป็นโลหะนั้นไวต่อการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อม PEMFC (pH ~2–3, T=80–100 องศา ) ปล่อยไอออนของโลหะที่ส่งผลเสียต่อการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง ในขณะเดียวกัน การก่อตัวของชั้นพาสซีฟบนพื้นผิวทำให้ความต้านทานการสัมผัสเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ซึ่งจำกัด-ความน่าเชื่อถือในระยะยาว [2] อย่างรุนแรง
กลยุทธ์หลักในปัจจุบันในการปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนของ BP โลหะ ได้แก่ การใช้การเคลือบป้องกันการกัดกร่อน- และปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนของซับสเตรต [2] การเคลือบสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการกัดกร่อนได้อย่างมาก แต่การรักษาสมดุลของการนำไฟฟ้า ความซับซ้อนของกระบวนการ และต้นทุนถือเป็นเรื่องท้าทาย นอกจากนี้ การทดสอบการกัดกร่อนมักเป็นระยะสั้น- ดังนั้นผลลัพธ์อาจไม่สะท้อนถึงประสิทธิภาพ-ระยะยาวในโลกจริง- [2] การวิจัยในปัจจุบันแสดงให้เห็นว่าการเคลือบชั้นเดียวก็มีข้อจำกัดเช่นกัน ตัวอย่างเช่น โลหะผสมไททาเนียมมีความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเนื่องจากมีฟิล์มออกไซด์ แต่จะช่วยเพิ่มความต้านทานการสัมผัส โดยต้องมีการปรับปรุงการนำไฟฟ้าของพื้นผิว ปัญหาการต้านทานการกัดกร่อนและต้นทุนยังคงเป็นอุปสรรคสำคัญต่อ-การนำ BP โลหะมาใช้ในวงกว้าง [2]
หลิว เจี้ยนเซียง [6] และคณะ ความคืบหน้าการวิจัยที่มีการทบทวนอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับการเคลือบทรานซิชันเมทัลคาร์ไบด์ การเคลือบทรานซิชันเมทัลไนไตรด์ การเคลือบคาร์บอนอสัณฐาน การเคลือบแบบกราฟีน- การเคลือบโพลีเมอร์นำไฟฟ้า และการเคลือบโลหะผสมเอนโทรปีสูง-สำหรับ BP ที่เป็นโลหะในเซลล์เชื้อเพลิง พวกเขาชี้ให้เห็นว่าการเคลือบหลายชั้นที่มีโครงสร้างที่เชื่อมต่อกันอาจปรับปรุงทั้งความต้านทานการกัดกร่อนและการนำไฟฟ้า การศึกษาล่าสุดแนะนำว่าการผสมผสานองค์ประกอบที่ต้านทานการกัดกร่อน-เข้ากับสารเคลือบก็เป็นวิธีที่ใช้ได้เช่นกัน ดังนั้น การผสมผสานระหว่างการเคลือบหลายชั้นและการเติมด้วยองค์ประกอบต่างๆ คาดว่าจะทำให้การเคลือบที่ทนทานต่อการกัดกร่อน-ดีขึ้นสำหรับ BP โลหะ
2.3 แผ่นขั้วบวกแบบคอมโพสิต
แผ่นคอมโพสิตประกอบด้วยวัสดุตั้งแต่สองชนิดขึ้นไป โดยมีกระบวนการรวมกันเพื่อปรับคุณสมบัติทางกล การกัดกร่อน และทางไฟฟ้าให้เหมาะสม แผ่นคอมโพสิตสามารถจำแนกได้เป็นคอมโพสิตเชิงโครงสร้างและคอมโพสิตกระบวนการ [7] ตามประเภทของวัสดุ คอมโพสิต BP สามารถแบ่งได้เป็นสองประเภทหลัก: เรซินโพลีเมอร์/คอมโพสิตคาร์บอน และคอมโพสิตกราไฟท์/โลหะ [7]
2.3.1 แผ่นไบโพลาร์คอมโพสิตเรซินโพลีเมอร์/คาร์บอน
แผ่นกราไฟท์แบบคอมโพสิตเป็นชนิดใหม่ ผลิตจากเรซินโพลีเมอร์อินทรีย์และสารตัวเติมที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่มีคาร์บอน{0}}เป็นหลัก เมทริกซ์เรซินช่วยเพิ่มคุณสมบัติทางกลและประสานสารตัวเติมที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ซึ่งทำหน้าที่เป็นการวิจัยหลักที่มุ่งเน้นในการปรับปรุงความหนาแน่นของก๊าซและความแข็งแรงของแรงดัดงอ สารตัวเติมที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าซึ่งแสดงด้วยกราไฟท์ เชื่อมต่อระหว่างกันเพื่อสร้างเครือข่ายที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า [2]
สารตัวเติมที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าโดยทั่วไปประกอบด้วยคาร์บอนแบล็ก เส้นใยคาร์บอน (CF) กราไฟท์ขยาย ท่อนาโนคาร์บอน กราไฟท์สังเคราะห์ (SG) และกราฟีน เรซินโพลีเมอร์ ได้แก่ โพลีโพรพีลีน โพลีอีเทอร์อีเทอร์คีโตน (PEEK) โพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) เรซินอีพอกซี และเรซินฟีนอล [8]
ด้วยการปรับองค์ประกอบและอัตราส่วนมวลของเรซินและตัวเติมที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า รวมกับการปรับเปลี่ยนกราไฟท์หรือสารเติมแต่งเรซิน ทำให้สามารถปรับและเพิ่มประสิทธิภาพคุณสมบัติต่างๆ ของคอมโพสิตกราไฟท์ BP ได้ นอกจากนี้ เทคนิคการเตรียมการขั้นสูงและ-การประมวลผลภายหลัง- เช่น การควบคุมการวางแนวและการกระจายตัวของสารตัวเติมกราไฟท์ และการปรับคุณสมบัติพื้นผิวระหว่างกราไฟท์/เรซินให้เหมาะสม-ส่งผลโดยตรงต่อมาโคร- และโครงสร้างจุลภาคของเพลตคอมโพสิตที่ขึ้นรูป ซึ่งส่งผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพของเพลตดังกล่าว [2]
ปัจจุบัน เทคโนโลยีการผลิตในประเทศสำหรับคอมโพสิต BP ยังไม่สมบูรณ์ สาเหตุหลักมาจากการแปลสูตรวัตถุดิบไม่ครบถ้วน ขาดการผลิตต่อเนื่องขนาดใหญ่- และต้นทุนสูง ดังนั้น การค้นหาวัตถุดิบที่มีต้นทุนต่ำ- การปรับอัตราส่วนการกำหนดสูตรและสภาวะการประมวลผลให้เหมาะสม และการลดรอบการผลิตให้สั้นลงยังคงเป็นแนวทางการวิจัยที่สำคัญ [9]
2.3.2 แผ่นไบโพลาร์คอมโพสิตกราไฟท์/โลหะ
แผ่นคอมโพสิตกราไฟท์/โลหะใช้ชั้นโลหะเป็นตัวแยก และแผ่นคาร์บอนหรือแผ่นกราไฟท์บางที่มีรูพรุน (ผลิตโดยการฉีดขึ้นรูปและการอบ) เป็นแผ่นสนามการไหลที่ยึดติดด้วยกาวนำไฟฟ้า [7] โลหะมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดี มีความแข็งแรงสูง และไม่สามารถซึมผ่านของก๊าซได้ ในขณะที่กราไฟต์ให้ความต้านทานการกัดกร่อน ดังนั้น กราไฟท์ส่วนใหญ่ทำหน้าที่เป็นช่องทางการนำและการไหลโดยไม่จำเป็นต้องรับหน้าที่ปิดผนึกหรือเสริมแรง ทำให้เกิดข้อได้เปรียบเสริม [7]
แผ่นคอมโพสิตที่ทำจากโลหะ-ผสมผสานข้อดีของทั้งแผ่นกราไฟท์และแผ่นโลหะ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวม อย่างไรก็ตาม โครงสร้างที่ซับซ้อนและกระบวนการผลิตทำให้การผลิตจำนวนมากทำได้ยาก และต้นทุนการผลิตก็สูงกว่าคอมโพสิตที่มีคาร์บอน-มาก แม้จะมีความท้าทายในการโปรโมต PEMFC ทั่วไป แต่ก็มีข้อได้เปรียบสำหรับการใช้งานพิเศษ [7]
03 ความคืบหน้าการวิจัยเกี่ยวกับแผ่นไบโพลาร์ผสมกราไฟท์และกราไฟท์แบบยืดหยุ่น
จากที่กล่าวมาข้างต้น BP ผสมกราไฟท์และกราไฟท์ที่ยืดหยุ่นได้แสดงประสิทธิภาพโดยรวมที่สมดุลมากขึ้นและมีศักยภาพในการพัฒนาที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น ตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของ BP ตัวบ่งชี้สำคัญ ได้แก่ ความสามารถในการซึมผ่านของก๊าซ การนำไฟฟ้า ความต้านทานต่อการสัมผัส ความต้านทานแรงดัดงอ และอัตราการกัดกร่อน ซึ่งเป็นแนวทางการวิจัยหลักสำหรับ BP
การเปรียบเทียบข้อดีและข้อเสียของ BP ประเภทต่างๆ(ละเว้นตาราง)
3.1 ผลของการดัดแปลงโพลีเมอร์ต่อค่าการนำไฟฟ้าและความต้านทานแรงดัดงอของแผ่นคอมโพสิตไบโพลาร์กราไฟท์
เซง ฮาวตง [8] และคณะ เรซินโพลีอิไมด์ (PI) ที่ผ่านการดัดแปลงด้วยเรซินโพลีอีเทอร์อีเทอร์คีโตน (PEEK) โดยใช้กราไฟท์แบบขยายเป็นสารตัวเติมนำไฟฟ้าหลัก และเตรียมแผ่นไบโพลาร์คอมโพสิตสำหรับ PEMFC โดยการขึ้นรูปแบบอัด พวกเขาได้ตรวจสอบผลกระทบของปริมาณเรซินและการเติมกราฟีนต่อประสิทธิภาพของคอมโพสิต BP ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าด้วยเศษส่วนมวลเรซินคงที่ 40% และอัตราส่วนมวล PI:PEEK ที่ 1:1.25 ทำให้กราไฟท์ขยาย/PI-ตัวอย่าง BP คอมโพสิต PEEK มีค่าการนำไฟฟ้าที่เหมาะสมที่สุด (181.8 S/cm) และความต้านทานแรงดัดงอ (43.49 MPa) ซึ่งแสดงถึงค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้น 64.7% เมื่อเทียบกับตัวอย่างเรซิน PI บริสุทธิ์
หลี่ฮาง [10] และคณะ ใช้กราไฟท์เกล็ดธรรมชาติ (NG) เป็นมวลรวมนำไฟฟ้า และใช้เรซินฟีนอล (PF) และเรซินโพลีเอสเตอร์ไม่อิ่มตัว (UPR) เป็นสารยึดเกาะ เพื่อเตรียม BP คอมโพสิต NG/PF/UPR โดยการขึ้นรูปแบบอัด พวกเขาศึกษาผลกระทบของอัตราส่วนมวล PF/UPR ปริมาณเรซิน และสภาวะการขึ้นรูปต่อค่าการนำไฟฟ้าและความต้านทานแรงดัดงอ ผลลัพธ์ระบุว่าภายใต้เงื่อนไขของปริมาณเรซิน 20 % โดยน้ำหนัก อัตราส่วนมวล PF/UPR 6:1 อุณหภูมิการกด 100 องศา ความดันการขึ้นรูป 30 MPa อุณหภูมิการขึ้นรูป 180 องศา และเวลาในการขึ้นรูป 2 ชั่วโมง คอมโพสิต NG/PF/UPR มีค่าการนำไฟฟ้า 336.1 S/cm และความต้านทานแรงดัดงอ 46.5 MPa เมื่อเปรียบเทียบกับคอมโพสิต NG/PF ภายใต้สภาวะเดียวกัน ค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้น 134.9% และความต้านทานแรงดัดงอ 21.2%
3.2 ผลกระทบของความหนาของพื้นผิวกราไฟท์ต่อประสิทธิภาพโดยรวมของ BP
หวังเติ้งเก้ [11] และคณะ ใช้ซับสเตรตกราไฟท์แบบขยายที่มีความหนา 4 มม. และ 6 มม. เพื่อสร้าง BP กราไฟท์แบบช่อง-ไหลด้านเดียว-ที่มีความหนา 1 มม. ศึกษาอิทธิพลของความหนาของซับสเตรตต่อการขึ้นรูปและประสิทธิภาพของแผ่นกราไฟท์แบบยืดหยุ่นแบบคอมโพสิต ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าวัสดุพิมพ์ 4 มม. ผลิตเพลตที่มีรูปทรงของช่อง/ซี่โครงที่ดีกว่า ความแม่นยำของมิติที่เหนือกว่า ความสามารถในการซึมผ่านของก๊าซต่ำกว่าเป้าหมาย DOE ที่ 2×10⁻⁶ cm³·s⁻¹·cm⁻² ความต้านทานแรงดัดงอ 25.4 MPa ค่าการนำไฟฟ้า 333 S·cm⁻¹ และความต้านทานการสัมผัสต่ำกว่า 2.37 mΩ·cm² พวกเขายังแสดงความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม หลังจากผ่านไป 3,000 วินาทีที่มีศักยภาพสูง (1.6 V) ความหนาแน่นกระแสการกัดกร่อนยังคงที่ ดังนั้น วัสดุพิมพ์ขนาด 4 มม. จึงเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการขึ้นรูปแผ่นกราไฟท์แบบยืดหยุ่นขนาด 1 มม. ซึ่งให้ประสิทธิภาพสูงสุดที่ตรงตามข้อกำหนดของ DOE ผู้เขียนหวังว่างานนี้จะช่วยส่งเสริมอุตสาหกรรมแผ่นกราไฟท์ที่มีความยืดหยุ่นและการพัฒนาอุตสาหกรรมเซลล์เชื้อเพลิงต่อไป
3.3 ผลของขนาดอนุภาคกราไฟท์ต่อความต้านทานแรงดัดงอและค่าการนำไฟฟ้าของแผ่นไบโพลาร์
คัง [12] และคณะ แสดงให้เห็นว่ากำลังรับแรงดัดงอของคอมโพสิต BP เพิ่มขึ้นเมื่อขนาดอนุภาคกราไฟท์จำนวนมากลดลง แต่ค่าการนำไฟฟ้าลดลง อนุภาคกราไฟท์จำนวนมากเชื่อมต่อกันผ่านหน้าสัมผัสแบบจุด ในขณะที่กราไฟท์เกล็ดจะเกิดหน้าสัมผัสกัน-ต่อ- ซึ่งช่วยอำนวยความสะดวกในการก่อตัวของเครือข่ายนำไฟฟ้าและการขนส่งอิเล็กตรอน
3.4 ผลของการเพิ่มประสิทธิภาพขนาดอนุภาคคาร์บอนแบล็กและกราไฟต์ต่อการนำไฟฟ้า
ลิม [13] และคณะ พ่นส่วนผสมของผงกราไฟท์ธรรมชาติ คาร์บอนแบล็ก และตัวทำละลายเมทิลเอทิลคีโตน ลงบนพรีเพกอีพอกซีเรซิน/คาร์บอนไฟเบอร์ จากนั้นทำให้แห้ง จากนั้นเคลือบด้วยฟอยล์กราไฟท์ทั้งสองด้านก่อนอัดร้อนเพื่อสร้าง BP คอมโพสิต เนื่องจากขนาดอนุภาคที่เล็กกว่า คาร์บอนแบล็คจึงกระจายตัวสม่ำเสมอกว่าและมีประสิทธิภาพมากกว่าผงกราไฟท์ธรรมชาติในการเพิ่มการนำไฟฟ้า Gautam [14] และคณะ กราไฟท์ธรรมชาติแบบเกล็ดอินเทอร์คาเลตทางเคมีในสารละลายผสมของ KMnO₄, HClO₄ และ HNO₃ เป็นเวลา 1 นาที จากนั้นฉายรังสีด้วยเตาอบไมโครเวฟเพื่อผลิตกราไฟท์แบบขยายโดยมีปริมาตรเฉพาะสูงสุด (570±10) mL·g⁻¹ ต่อมาพวกเขาเตรียมกราไฟท์ขยาย/คาร์บอนแบล็ค/อนุภาคขนาดเล็กของกราไฟท์/BP คอมโพสิตเรซินฟีนอล; การทดสอบเซลล์เดี่ยว-แสดงให้เห็นประสิทธิภาพที่ดีกว่าคอมโพสิตโดยใช้กราไฟท์แบบขยายเท่านั้นที่เป็นสารตัวเติมนำไฟฟ้า ซึ่งมีสาเหตุมาจากคาร์บอนแบล็กและผงกราไฟท์ละเอียดที่เติมช่องว่างระหว่างสารตัวเติมที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า
3.5 ผลของการทำให้ชุ่มด้วยสุญญากาศต่อค่าการนำไฟฟ้าและความต้านทานแรงดัดงอของเพลตไบโพลาร์
Zhan Zize [3] และคณะ ศึกษาผลของการเติมตัวเจือจางอีพอกซีเรซิน อุณหภูมิ และโครงสร้างรูพรุนของกราไฟท์ต่อปริมาณการชุบเรซินในระหว่างการชุบสุญญากาศ และประเมินค่าการนำไฟฟ้า ความแข็งแรงดัดงอ และความหนาแน่นของก๊าซของ BP ของเซลล์เชื้อเพลิงที่เกิดขึ้น ผลลัพธ์ระบุว่าการเพิ่มปริมาณสารเจือจางและอุณหภูมิจะลดความหนืดของเรซิน เพิ่มความสามารถในการเคลือบ และช่วยให้เรซินสามารถเติมเต็มรูพรุนที่ละเอียดยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตาม รูขุมขนบางส่วนยังคงไม่เต็ม รูพรุนที่ต่ำกว่า 0.1 μm ในกราไฟท์แบบขยายนั้นยากต่อการเจาะเข้าไปจนสุด ซึ่งทำให้ไม่สามารถเติมได้เต็มที่ อุณหภูมิการทำให้ชุ่มสุญญากาศที่เหมาะสมที่สุดสำหรับอีพอกซีเรซิน/ระบบสารเจือจางคือ 50 องศา และการเติมสารเจือจางที่เหมาะสมที่สุด (เอทิลีนไกลคอล ไดไกลซิดิล อีเทอร์) คือ 15 % โดยน้ำหนัก BP ที่ได้รับ (EGP-H) มีค่าการนำไฟฟ้าในระนาบ-ที่ 340.12 S/cm ความต้านทานแรงดัดงอ 41.52 MPa และความสามารถในการซึมผ่านของฮีเลียม 5.4×10⁻7 cm³·cm⁻²·s⁻¹
04 สรุปแนวทางหลักในการปรับปรุงประสิทธิภาพของแผ่นไบโพลาร์กราไฟท์
เกี่ยวกับผลกระทบของประเภทวัตถุดิบ อัตราส่วน และสภาวะกระบวนการขึ้นรูปที่มีต่อประสิทธิภาพของ BP มีการระบุประเด็นหลักสี่ประการ:
(1) เรซินจับกับอนุภาคที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและสร้างเครือข่ายสามมิติ-หลังจากการเชื่อมขวาง เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกล อย่างไรก็ตาม เรซินที่มากเกินไปจะลดการนำไฟฟ้า ดังนั้น ปริมาณเรซินจึงต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อให้ประสิทธิภาพทางกลและทางไฟฟ้าสมดุล
(2) เมื่อกราไฟท์เป็นสารตัวเติมหลักที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า กราไฟท์เกล็ดจะสร้างเส้นทางที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าได้ง่ายกว่ากราไฟท์จำนวนมาก ขนาดอนุภาคส่งผลต่อทั้งคุณสมบัติการนำไฟฟ้าและคุณสมบัติทางกล และควรพิจารณาการกระจายขนาดอนุภาคที่เหมาะสมผ่านการปรับให้เหมาะสม
(3) การเติมคาร์บอนแบล็ก เส้นใยคาร์บอน หรือท่อนาโนคาร์บอนเพียงเล็กน้อยสามารถเติมช่องว่างและเพิ่มเส้นทางการนำไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกัน พวกมันสามารถสร้างพันธะโควาเลนต์กับกลุ่มฟังก์ชันของเรซินหรือปรับปรุงความเหนียวได้โดยตรง ซึ่งจึงเป็นการเพิ่มความแข็งแรงของการดัดงอ เพื่อให้ทั้งค่าการนำไฟฟ้าและคุณสมบัติทางกลของ BP คอมโพสิตได้รับการปรับปรุง
(4) ในการขึ้นรูปแบบอัด จำเป็นต้องปรับอัตราส่วนวัตถุดิบและสภาวะการอัดร้อน-ให้เหมาะสมอย่างต่อเนื่อง เพิ่มการทำงานแบบขนาน ลดรอบการผลิตให้สั้นลง และบรรลุการผลิตที่มีการไหลอย่างต่อเนื่อง