Руководство по рынку биполярных пластин и гибкого графита

Что такое Биполярные пластины ?

Биполярные пластины являются структурными и функциональными компонентами ядра электрохимических ячеек. топливные элементы с протонообменной мембраной (PEM) и проточные батареи. Каждая пластина одновременно контактирует с анодом одной ячейки и катодом соседней ячейки, электрически соединяя их последовательно и физически разделяя реагирующие газы. В водородном топливном элементе PEM биполярные пластины одновременно выполняют три функции: распределение водорода и кислорода через обработанные или формованные каналы поля потока, проведение электронов между ячейками и удаление тепла и воды, образующихся в результате электрохимической реакции.

Биполярные пластины составляют 60–80% от общего веса и примерно 30–40% от общей стоимости батареи топливных элементов PEM, что делает выбор материала и метод производства доминирующими факторами в производительности батареи, ее долговечности и коммерческой жизнеспособности. Идеальный материал биполярной пластины сочетает в себе высокую электропроводность, низкую газопроницаемость, высокую коррозионную стойкость в кислых электролитных средах (pH 2–4), достаточную механическую прочность, чтобы выдерживать сжатие сборки, и достаточно низкую плотность, чтобы соответствовать целевым показателям гравиметрической удельной мощности в транспортных приложениях.

Материалы, используемые при производстве биполярных пластин

В производстве биполярных пластин конкурируют три основные категории материалов, каждая из которых имеет определенные компромиссы в проводимости, весе, коррозионной стойкости, технологичности и стоимости.

Механически обработанный графит остается эталоном для лабораторных и стационарных применений, где стоимость и вес вторичны по сравнению с стабильностью характеристик. Металлические пластины — тонкоштампованная нержавеющая сталь с PVD или золотым покрытием — доминируют в автомобильных топливных элементах (Toyota Mirai, Hyundai NEXO), поскольку их высокая механическая прочность позволяет использовать пластины толщиной до 0,1–0,2 мм , что позволяет создавать компактные стеки с высокой плотностью мощности. Гибкий графит и композиты на полимерной основе занимают золотую середину для стационарного производства электроэнергии, резервного питания и развивающихся рынков электролизеров.

Гибкие графитовые биполярные пластины: свойства и изготовление

Гибкий графит, также называемый расширенным графитом или расслоенным графитом, производится путем интеркалирования природного чешуйчатого графита серной или азотной кислотой с последующим быстрым нагреванием его до температуры выше 800°C. Термический удар приводит к расширению слоев графита перпендикулярно базовой плоскости в несколько раз. 200–400× , создавая вермикулярную, подобную гармошке структуру, которую можно спрессовать в плотные самоклеящиеся листы фольги без какого-либо полимерного связующего.

Эта композиция без связующих веществ является ключевым отличием. Графитовые композиты на полимерной основе содержат 20–40% смолы по массе, что снижает проводимость и вводит органическую фазу, которая может разлагаться в окислительных условиях внутри топливного элемента. Гибкий графитовый лист, напротив, 99% чистый углерод , что придает ему химическую стабильность во всем рабочем диапазоне pH топливных элементов PEM и проточных батарей, а также термическую стабильность до температуры свыше 450°C в неокисляющей атмосфере.

Методы формирования поля течения

Каналы, распределяющие газы-реагенты по поверхности мембранно-электродного узла (МЭА), могут быть сформированы в гибком графите посредством нескольких процессов:

• Компрессионное формование — самый распространенный метод. Обработанная стальная матрица вдавливает рисунок каналов в гибкий графитовый лист под воздействием тепла и давления. Продолжительность цикла 1–3 минуты обеспечивает умеренные объемы производства.
• Рулонное тиснение — непрерывный процесс с использованием гравированных роликов для впечатывания геометрии канала в листовую заготовку. Подходит для крупносерийного производства и постоянного профиля поперечного сечения.
• обработка с ЧПУ — используется для прототипирования и мелкосерийных работ, когда инвестиции в оснастку для формования не оправданы. Медленнее и более расточительно, чем формование, но обеспечивает максимальную гибкость конструкции.

Критической проблемой производства гибкого графита является его анизотропная проводимость : проводимость в плоскости (параллельно поверхности листа) существенно выше, чем проводимость в плоскости (перпендикулярно поверхности). Поскольку ток в батарее топливных элементов течет через плоскость, крайне важно оптимизировать плотность сжатия и поверхностное контактное сопротивление. Плиты обычно сжимаются до плотности 1,0–1,3 г/см³ , с более высокой плотностью, улучшающей проводимость в поперечном направлении, но уменьшающей сжимаемость, что позволяет пластине соответствовать неровностям поверхности МЭА.

Рынок гибких графитовых биполярных пластин: размер, рост и движущие силы

Мировой рынок биполярных пластин оценивался примерно в 1,2–1,5 млрд долларов США в 2023 году и, по прогнозам, будет расти со среднегодовым темпом роста (CAGR) в размере 18–24% до 2030 года, что обусловлено, главным образом, масштабированием использования топливных элементов PEM в транспорте, стационарной энергетике и производстве водорода посредством электролиза. На этом более широком рынке гибкие графитовые биполярные пластины занимают значительную долю в сегментах стационарного и резервного питания, где их коррозионная стойкость, простота изготовления и отсутствие дорогостоящих поверхностных покрытий обеспечивают ценовое преимущество по сравнению с металлическими альтернативами.

Ключевые драйверы рынка

• Расширение водородной экономики — правительственные стратегии по водороду в ЕС (REPowerEU), США (налоговые льготы на производство водорода в соответствии с Законом о сокращении инфляции), Японии, Южной Корее и Китае стимулируют внедрение топливных элементов в масштабах, которые пять лет назад были коммерчески маргинальными. Каждый мегаватт установленной мощности ФЭМ требует от сотен до тысяч биполярных пластин.
• Масштабирование электролизера — В электролизерах PEM для производства зеленого водорода используются биполярные пластины, требования к материалам которых аналогичны требованиям к топливным элементам, но при других условиях эксплуатации (более высокое напряжение, выделение кислорода на аноде). По некоторым прогнозам, рынок электролизеров растет быстрее, чем рынок топливных элементов, создавая параллельный спрос на материалы графитовых пластин.
• Развертывание проточной батареи - ванадиевые окислительно-восстановительные проточные батареи (VRFB) и другие проточные химические системы используют биполярные пластины для разделения отсеков с электролитом. Устойчивость гибкого графита к ванадиевому электролиту (высококислотному и окислительному) делает его предпочтительным материалом для длительного хранения в сочетании с возобновляемыми источниками энергии.
• Давление на снижение затрат на металлические пластины — в то время как штампованные металлические пластины доминируют в автомобильной технике, их требования к антикоррозионным покрытиям на основе металлов платиновой группы или золота увеличивают затраты, над устранением которых производители работают. Это приводит к постоянной оценке альтернатив на основе графита в неавтомобильных сегментах, где плотность мощности стека менее критична.

Региональный ландшафт

Азиатско-Тихоокеанский регион — во главе с Китаем, Японией и Южной Кореей — владеет наибольшей долей нынешних мощностей по производству биполярных пластин, опирающихся на вертикально интегрированные цепочки поставок топливных элементов. Только Китай поставил национальные цели на более чем 50 000 автомобилей на водородных топливных элементах к 2025 году и вкладывает значительные средства в отечественную переработку графитового материала для биполярных пластин и анодов аккумуляторов. Европа является самым быстрорастущим рынком по установленной мощности электролизеров, а такие проекты, как Европейский альянс по чистому водороду, ускоряют спрос. Северная Америка масштабируется в основном за счет стационарных источников энергии, тяжелого транспорта (Hyzon, Nikola, Plug Power) и оборонных приложений.

Ключевые участники отрасли, работающие в сегменте гибких графитовых и графитовых композитных биполярных пластин, включают SGL Carbon, Toray Industries, Dana Incorporated, Schunk Carbon, Mersen и GrafTech International. Некоторые из этих компаний одновременно являются производителями материалов и пластин, что дает им преимущества вертикальной интеграции за счет масштабирования объемов.

Технические проблемы и направления развития

Несмотря на сильную динамику рынка, гибкие графитовые биполярные пластины сталкиваются с рядом технических и коммерческих проблем, которые определяют текущие приоритеты исследований и разработок:

• Газопроницаемость при малой толщине — Поскольку конструкторы увеличивают толщину пластины ниже 1 мм, чтобы уменьшить объем стопки, проникновение водорода через графитовый лист становится проблемой надежности. Пропитка смолой или тонкие барьерные покрытия могут снизить проницаемость, но вновь вводят полимерные фазы, которые ставят под угрозу преимущество химической стабильности материала.
• Механическая хрупкость — гибкий графитовый лист хрупкий в поперечном направлении и подвержен расслоению при повторяющихся термоциклированиях или неправильном обращении со сборкой. Композитные ламинаты — тонкий гибкий графит, соединенный с подложкой из углеродного волокна или полимера — разрабатываются для улучшения управляемости без ущерба для проводимости.
• Улучшение проводимости в плоскости — достижение сквозной проводимости выше 100 См/см при коммерчески жизнеспособных плотностях в сжатом состоянии остается актуальной задачей материаловедения. Добавление нанопластинок ориентированного графита и протоколы термической обработки входят в число исследуемых подходов.
• Увеличение производительности производства - формирование канала поля потока путем компрессионного формования дает приемлемый выход продукции в лабораторных условиях, но поддержание допусков на размеры ± 0,05 мм при крупносерийном производстве требует прецизионного инструмента и контроля процесса, что увеличивает затраты при текущих масштабах производства.

Технические цели Министерства энергетики США для биполярных пластин устанавливают целевое значение удельного электрического сопротивления в поперечной плоскости, равное ниже 10 мОм·см² и плотность тока коррозии ниже 1 мкА/см² — эталонные показатели, которым гибкий графит соответствует по своей природе в отношении коррозии, но приближается к ним только при тщательной оптимизации плотности и поверхностной обработки по удельному сопротивлению. Сочетание обоих одновременно в пластине толщиной менее 1 мм в масштабе является главной инженерной задачей для этого сегмента на ближайшие пять лет.

Биполярные пластины в проточных батареях и электролизерах

В то время как топливные элементы PEM привлекают наибольшее внимание к биполярным пластинам, этот компонент играет одинаково важную роль в двух смежных электрохимических технологиях, имеющих собственные траектории существенного роста рынка.

Ванадиевые окислительно-восстановительные проточные батареи

В VRFB биполярные пластины разделяют положительные и отрицательные полуэлементы и должны выдерживать постоянное воздействие пентаоксида ванадия в серной кислоте — одном из наиболее химически агрессивных электролитов в коммерческих хранилищах энергии. Гибкий графит и углерод-полимерные композиты хорошо себя зарекомендовали в этом отношении, причем гибкий графит предпочтителен из-за отсутствия в нем полимерных фаз, которые ванадий может окислительно разлагать. Развертывание VRFB для долговременного хранения энергии в масштабе сети (разрядка 4–12 часов) представляет собой растущий поток спроса на биполярные пластины, который в значительной степени не зависит от водородной экономики , обеспечивая диверсификацию рынка для производителей графитовых пластин.

ПЭМ Электролизеры

Электролизеры PEM расщепляют воду на водород и кислород под приложенным напряжением, работая при более высоких плотностях тока (2–3 А/см²) и более высоких анодных потенциалах, чем топливные элементы. Среда выделения кислорода на аноде сильно окислительная, что исключает использование большинства пластин на основе графита на анодной стороне — титан с платиновым или иридиевым покрытием в настоящее время является стандартом. Однако катодная сторона (выделение водорода) более безопасна, и в некоторых конструкциях пластины на основе графита используются на катодной стороне. Поскольку производители электролизеров стремятся снизить затраты, графитовые пластины на катодной стороне представляют собой реальную коммерческую возможность, особенно для установок мегаваттного масштаба, где стоимость материала на единицу площади значительна.