01 Rhagymadrodd
Mae celloedd tanwydd pilen cyfnewid proton (PEMFCs), fel dyfeisiau sy'n gallu trosi ynni rhydd o gemegau yn ynni trydanol, yn cynhyrchu dŵr yn unig fel sgil-gynnyrch ar ôl adwaith. Maent yn cynnig manteision megis effeithlonrwydd ynni, cyfradd trosi ynni uchel, dibynadwyedd uchel, cychwyn cyflym ar dymheredd ystafell, a bywyd gwasanaeth hir [1]. Mae'r nodweddion hyn yn rhoi rhagolygon cymhwysiad eang PEMFCs a photensial marchnad mewn cymwysiadau llonydd (ee, gorsafoedd sylfaen cyfathrebu, gwres a phŵer cyfun), cymwysiadau symudol (ee, automobiles, llongau morol), a chymwysiadau cludadwy (ee, cyfrifiaduron, camerâu). Fe'u gelwir yn bedwerydd dull cynhyrchu pŵer ar ôl ynni thermol, hydro, a niwclear [2].
Mae platiau deubegwn (BPs), fel cydrannau allweddol PEMFCs, yn gweithredu'n bennaf i wahanu a dosbarthu ocsidydd a thanwydd, dargludo cerrynt, cefnogi cynulliad electrod y bilen, a rheoleiddio tymheredd pentwr mewnol [3]. Er mwyn bodloni gofynion gweithredu celloedd tanwydd, rhaid i BP feddu ar anathreiddedd nwy rhagorol, dargludedd trydanol da a gwrthiant cyrydiad, dargludedd thermol digonol, a phriodweddau mecanyddol [3]. Yn y cyfamser, mae BPs ar hyn o bryd yn cyfrif am tua 80% o bwysau a chyfaint PEMFC a thua 50% o'i gost. Wrth sicrhau gofynion swyddogaethol, mae gwneud BPs mor denau ac ysgafn â phosibl yn arwyddocaol iawn ar gyfer gwella dwysedd pŵer PEMFC a lleihau costau cynhyrchu. Mae ymarfer wedi dangos y gallai optimeiddio perfformiad plât deubegwn gynyddu dwysedd pŵer y stac tua 20%, gan gyrraedd 6–9 kW/L [3]. Felly, mae gwella deunyddiau BP a phrosesau saernïo yn bwysig iawn ar gyfer gwella perfformiad PEMFC.
Targedau perfformiad DOE ar gyfer platiau deubegwn(tabl wedi'i hepgor)
Diagram strwythur PEMFC(ffigur wedi'i hepgor)
02 Dosbarthiad a Chymhwysiad Dadansoddiad Posibl Platiau Deubegwn
Yn seiliedig ar gyfansoddiad deunydd, rhennir platiau deubegwn yn bennaf yn bedwar categori: platiau deubegwn graffit, platiau deubegwn hyblyg graffit, platiau deubegwn metelaidd, a phlatiau deubegwn cyfansawdd [4].
2.1 Platiau Deubegwn Graffit
Roedd graffit ymhlith y deunyddiau swbstrad cynharaf a ddatblygwyd ar gyfer BPs, yn cynnwys dwysedd isel, ymwrthedd cyrydiad da, a gwrthiant cyswllt isel â'r haen tryledu nwy. Fodd bynnag, mae gan BPs graffit fandylledd cymharol uchel, sy'n ei gwneud hi'n anodd bodloni gofynion tyndra nwy. Yn ogystal, mae graffit yn isel o ran cryfder a brau, felly mae'r platiau gorffenedig yn sylweddol fwy trwchus na BP metelaidd [2].
Mae ymchwil ar BPs graffit wedi canolbwyntio ar ddeunyddiau graffit a dulliau impregnation. Er bod rhywfaint o gynnydd wedi'i wneud o ran gwella tyndra nwy a chryfder strwythurol, maent yn dal yn brin o ofynion gweithredol PEMFC [2].
Yn ôl y math o ddeunydd, gellir rhannu BP graffit yn ddau gategori:
BP graffit anhyblyg, a elwir hefyd yn blatiau graffit wedi'u peiriannu, yn cael eu gwneud yn bennaf o sgil-gynhyrchion tanwyddau ffosil, wedi'u prosesu trwy galchynnu, trwytho gwactod, graffiteiddio tymheredd uchel, ac yna'n cael eu peiriannu gan CNC i ffurfio sianeli llif penodol. Mae angen peiriannu CNC ar bob set, gan arwain at gostau cymharol uchel. Defnyddir y rhain yn bennaf ar gyfer datblygu dyluniad, ac mae eu cyfran o'r farchnad mewn cynhyrchu màs yn cael ei ddisodli'n raddol gan fathau eraill [5].
BP graffit hyblyg, a elwir hefyd yn blatiau wedi'u mowldio neu BP graffit estynedig, yn cael eu cynhyrchu'n gyffredinol trwy gymysgu graffit estynedig â phowdr resin polymerau ac yna mowldio, neu drwy drwytho taflenni graffit estynedig sydd wedi'u cyn-wasgu. Mae BP graffit hyblyg yn ysgafn, yn gallu gwrthsefyll cyrydiad, ac yn ddargludol, gan eu gwneud yn ddeunydd delfrydol, ond mae ganddynt ddiffygion o ran priodweddau mecanyddol a thyndra nwy [2].
2.2 Platiau Deubegwn Metelaidd
Mae deunyddiau BP metelaidd yn bennaf yn cynnwys alwminiwm, dur di-staen, titaniwm, ac aloion nicel [3].
Mae BPs metelaidd yn cynnig dargludedd trydanol da, tyndra nwy, a chryfder plygu. Ar ben hynny, oherwydd hydwythedd ardderchog metelau, gellir gwneud platiau tenau â strwythurau maes llif trwy stampio, gan wella dwysedd pŵer cyfeintiol PEMFC yn sylweddol [2]. Fodd bynnag, mae BP metelaidd yn agored i gyrydiad yn amgylchedd PEMFC (pH ~ 2–3, T=80–100 gradd ), gan ryddhau ïonau metel sy'n effeithio'n andwyol ar weithrediad celloedd tanwydd. Yn y cyfamser, mae ffurfio haen oddefol ar yr wyneb yn arwain at gynnydd amlwg mewn ymwrthedd cyswllt, gan gyfyngu'n ddifrifol ar ddibynadwyedd hirdymor [2].
Mae'r prif strategaethau presennol i wella ymwrthedd cyrydiad BP metelaidd yn cynnwys gosod haenau sy'n gwrthsefyll cyrydiad a gwella ymwrthedd cyrydiad swbstrad [2]. Gall haenau wella perfformiad cyrydiad yn sylweddol, ond mae cydbwyso dargludedd, cymhlethdod prosesau a chost yn heriol. Ar ben hynny, mae profion cyrydiad fel arfer yn{-dymor byr, felly mae'n bosibl na fydd canlyniadau'n adlewyrchu-perfformiad tymor hir y byd go iawn [2]. Mae ymchwil cyfredol yn dangos bod gan haenau sengl gyfyngiadau hefyd; er enghraifft, mae gan aloion titaniwm ymwrthedd cyrydiad da oherwydd eu ffilm ocsid, ond mae hyn yn cynyddu ymwrthedd cyswllt, sy'n gofyn am driniaethau gwella dargludedd wyneb. Mae ymwrthedd cyrydiad a phroblemau cost yn dal i fod yn rhwystrau mawr i fabwysiadu BP metelaidd ar raddfa fawr [2].
Lyu Jianxiang [6] et al. adolygu cynnydd ymchwil yn systematig ar haenau carbid metel trosiannol, haenau nitrid metel trosiannol, haenau carbon amorffaidd, haenau seiliedig ar graphene, haenau polymer dargludol, a haenau aloi entropi uchel ar gyfer BP metelaidd mewn celloedd tanwydd. Fe wnaethant nodi y gallai haenau aml-haen gyda strwythurau cyd-gloi wella ymwrthedd cyrydiad a dargludedd. Mae astudiaethau diweddar yn awgrymu bod ymgorffori elfennau sy'n gwrthsefyll cyrydiad mewn haenau hefyd yn ddull ymarferol. Felly, disgwylir i'r cyfuniad o haenau amlhaenog a dopio elfennol roi gwell haenau sy'n gwrthsefyll cyrydiad ar gyfer BP metelaidd.
2.3 Platiau Deubegwn Cyfansawdd
Mae platiau cyfansawdd yn cynnwys dau ddeunydd neu fwy, gyda phrosesau cyfun yn gwneud y gorau o briodweddau mecanyddol, cyrydiad a thrydanol. Gellir dosbarthu platiau cyfansawdd yn gyfansoddion strwythurol a chyfansoddion proses [7]. Yn ôl y math o ddeunydd, gellir rhannu BP cyfansawdd yn ddau brif gategori: resin polymer / cyfansoddion carbon a chyfansoddion graffit / metel [7].
2.3.1 Platiau Deubegwn Cyfansawdd Resin Polymer/Carbon
Mae platiau deubegwn graffit cyfansawdd yn fath newydd, wedi'u gwneud yn bennaf o resinau polymer organig a llenwyr dargludol sy'n seiliedig ar garbon. Mae'r matrics resin yn gwella priodweddau mecanyddol ac yn bondio'r llenwyr dargludol, gan wasanaethu fel y prif ffocws ymchwil ar gyfer gwella tyndra nwy a chryfder hyblyg. Mae llenwyr dargludol, a gynrychiolir gan graffit, yn cydgysylltu i ffurfio rhwydweithiau dargludol [2].
Yn gyffredinol, mae llenwyr dargludol yn cynnwys carbon du, ffibrau carbon (CF), graffit estynedig, nanotiwbiau carbon, graffit synthetig (SG), a graphene; mae resinau polymer yn cynnwys polypropylen, polyetheretherketone (PEEK), terephthalate polyethylen (PET), resinau epocsi, a resinau ffenolig [8].
Trwy addasu cymhareb cyfansoddiad a màs llenwyr resin a dargludol, ynghyd ag addasu graffit neu ychwanegion resin, gellir tiwnio ac optimeiddio priodweddau amrywiol BP graffit cyfansawdd. Yn ogystal, mae technegau paratoi uwch a phrosesu post megis rheoli cyfeiriadedd a gwasgariad llenwyr graffit, ac optimeiddio priodweddau rhyngwynebau graffit/resin-yn effeithio'n uniongyrchol ar facro- a microstrwythurau'r platiau cyfansawdd wedi'u mowldio, gan effeithio'n uniongyrchol ar eu perfformiad [2].
Ar hyn o bryd, nid yw technoleg cynhyrchu domestig ar gyfer BP cyfansawdd yn aeddfed eto, yn bennaf oherwydd lleoleiddio anghyflawn fformwleiddiadau deunydd crai, diffyg cynhyrchu parhaus ar raddfa fawr, a chostau uchel. Felly, mae dod o hyd i ddeunyddiau crai cost isel, optimeiddio cymarebau llunio ac amodau prosesu, a byrhau cylchoedd cynhyrchu yn parhau i fod yn gyfarwyddiadau ymchwil allweddol [9].
2.3.2 Platiau Deubegwn Cyfansawdd Graffit/Metel
Mae platiau cyfansawdd graffit/metel yn defnyddio haen fetelaidd fel y gwahanydd a phlatiau carbon tenau mandyllog neu blatiau graffit (a wneir trwy fowldio chwistrellu a phobi) fel platiau maes llif, wedi'u bondio â gludiog dargludol [7]. Mae metelau yn cynnig dargludedd da, cryfder uchel, ac anathreiddedd nwy, tra bod graffit yn darparu ymwrthedd cyrydiad. Felly, mae graffit yn bennaf yn gwasanaethu sianeli dargludiad a llif heb fod angen swyddogaethau selio neu atgyfnerthu, gan ganiatáu manteision cyflenwol [7].
Mae platiau cyfansawdd metel yn cyfuno manteision platiau graffit a metelaidd, gan wella perfformiad cyffredinol. Fodd bynnag, mae eu strwythur a'u prosesau saernïo cymhleth yn gwneud masgynhyrchu yn anodd, ac mae costau cynhyrchu yn llawer uwch na chostau cyfansoddion carbon. Er gwaethaf heriau ar gyfer dyrchafiad cyffredinol PEMFC, mae ganddynt fanteision ar gyfer ceisiadau arbennig [7].
03 Cynnydd Ymchwil ar Graffit Hyblyg a Phlatiau Deubegwn Cyfansawdd Graffit
O'r uchod, mae BP cyfansawdd graffit a graffit hyblyg yn dangos perfformiad cyffredinol mwy cytbwys a photensial datblygu cryfach. Yn ôl gofynion perfformiad BP, mae dangosyddion allweddol yn cynnwys athreiddedd nwy, dargludedd trydanol, ymwrthedd cyswllt, cryfder hyblyg, a chyfradd cyrydiad, sef y prif gyfarwyddiadau ymchwil ar gyfer BPs.
Cymharu manteision ac anfanteision gwahanol fathau o BPs(tabl wedi'i hepgor)
3.1 Effaith Addasiad Polymer ar Ddargludedd a Chryfder Hyblyg Platiau Deubegwn Cyfansawdd Graffit
Mae Zeng Haodong [8] et al. resin polyimide (PI) wedi'i addasu gyda resin polyetheretherketone (PEEK), gan ddefnyddio graffit estynedig fel y prif lenwad dargludol, a phlatiau deubegwn cyfansawdd wedi'u paratoi ar gyfer PEMFCs trwy fowldio cywasgu. Buont yn ymchwilio i effeithiau cynnwys resin ac adio graphene ar berfformiad BP cyfansawdd. Dangosodd y canlyniadau, gyda ffracsiwn màs resin sefydlog o 40% a chymhareb màs PI:PEEK o 1:1.25, fod y samplau BP cyfansawdd graffit/PI-PEEK estynedig wedi cyflawni'r dargludedd trydanol gorau posibl (181.8 S/cm) a chryfder hyblyg (43.49 MPa), sy'n cynrychioli cynnydd o 64.7% yn y samplau resin PI pur.
Li Hang [10] et al. defnyddio graffit fflawiau naturiol (NG) fel agreg dargludol a resin ffenolig (PF) a resin polyester annirlawn (UPR) fel rhwymwyr, gan baratoi BPs cyfansawdd NG/PF/UPR trwy fowldio cywasgu. Buont yn astudio effeithiau cymhareb màs PF/UPR, cynnwys resin, ac amodau mowldio ar ddargludedd a chryfder hyblyg. Dangosodd y canlyniadau, o dan amodau cynnwys resin 20 wt%, cymhareb màs PF/UPR o 6:1, gwasgu tymheredd 100 gradd, pwysau mowldio 30 MPa, tymheredd mowldio 180 gradd, ac amser mowldio 2 h, bod y cyfansawdd NG/PF/UPR wedi cyflawni dargludedd trydanol o 336.1 S/cm a chryfder ystwytho o .46. O'i gymharu â chyfansawdd NG/PF o dan yr un amodau, cynyddodd y dargludedd 134.9% a chynyddodd cryfder hyblyg 21.2%.
3.2 Effaith Trwch Is-haen Graffit ar Berfformiad BP Cyffredinol
Mae Wang Dengke [11] et al. defnyddio swbstradau graffit estynedig o 4 mm a 6 mm o drwch i gynhyrchu BP graffit sianel sengl llif o drwch 1 mm, gan astudio dylanwad trwch swbstrad ar fowldio a pherfformiad platiau graffit hyblyg cyfansawdd. Dangosodd y canlyniadau fod y swbstrad 4 mm yn cynhyrchu platiau gyda gwell geometreg sianel/asennau, cywirdeb dimensiwn uwch, athreiddedd nwy yn is na tharged DOE o 2×10⁻⁶ cm³·s⁻¹·cm⁻², cryfder hyblyg o 25.4 MPa, dargludedd trydanol o 333 S·cm⁻¹ ¹ ¹, a gwrthiant cyswllt yn is na mβ¹ ¹ ¹, a gwrthiant cyswllt. Roeddent hefyd yn arddangos ymwrthedd cyrydiad rhagorol; ar ôl 3000 s ar botensial uchel (1.6 V), arhosodd y dwysedd cerrynt cyrydiad yn sefydlog. Felly, mae swbstrad 4 mm yn ddewis da ar gyfer mowldio platiau graffit hyblyg 1 mm, gan roi'r perfformiad gorau posibl i fodloni gofynion DOE. Mae'r awduron yn gobeithio y bydd y gwaith hwn yn hyrwyddo diwydiannu platiau graffit hyblyg a datblygiad pellach y diwydiant celloedd tanwydd.
3.3 Effaith Maint Gronyn Graffit ar Gryfder Hyblyg a Dargludedd Platiau Deubegwn
Kang [12] et al. yn dangos bod cryfder hyblyg BPs cyfansawdd yn cynyddu gyda maint gronynnau graffit swmp yn lleihau, ond mae dargludedd yn lleihau. Mae gronynnau swmp graffit yn cysylltu trwy gysylltiadau pwynt, tra bod graffit naddion yn ffurfio cysylltiadau wyneb yn wyneb, gan hwyluso ffurfio rhwydwaith dargludol a chludo electronau.
3.4 Effaith Optimeiddio Maint Gronynnau Carbon Du a Graffit ar Ddargludedd
Lim [13] et al. chwistrellu cymysgedd o bowdr graffit naturiol, carbon du, a hydoddydd methyl ethyl ketone ar resin epocsi / prepregs ffibr carbon, eu sychu, ac yna eu lamineiddio â ffoil graffit ar y ddwy ochr cyn ei wasgu'n boeth i ffurfio BP cyfansawdd. Oherwydd eu maint gronynnau llai, roedd carbon du yn gwasgaru'n fwy unffurf ac roedd yn fwy effeithiol na powdr graffit naturiol wrth gynyddu dargludedd. Gautam [14] et al. graffit fflawiau naturiol wedi'u rhyngosod yn gemegol mewn hydoddiant cymysg o KMnO₄, HClO₄, a HNO₃ am 1 munud, yna ei arbelydru â popty microdon i gynhyrchu graffit estynedig gydag uchafswm cyfaint penodol o (570±10) mL·g⁻¹. Wedi hynny, paratowyd microgronynnau graffit/carbon du/graffit/BPs cyfansawdd resin ffenolig; dangosodd profion cell sengl berfformiad gwell na chyfansoddion gan ddefnyddio graffit estynedig yn unig fel llenwad dargludol, wedi'i briodoli i garbon du a gwagleoedd llenwi powdr graffit mân rhwng llenwyr dargludol.
3.5 Effaith Trwytho Gwactod ar Ddargludedd a Chryfder Hyblyg Platiau Deubegwn
Zhan Zize [3] et al. astudio effeithiau ychwanegu gwanedig resin epocsi, tymheredd, a strwythur mandwll graffit ar swm impregnation resin yn ystod impregnation gwactod, a gwerthuso dargludedd trydanol, cryfder flexural, a thyndra nwy y BPs celloedd tanwydd canlyniadol. Roedd y canlyniadau'n dangos bod cynyddu cynnwys gwanedig a thymheredd yn lleihau gludedd resin, gan wella gallu trwytho a chaniatáu i resin lenwi mandyllau mân. Fodd bynnag, roedd rhai mandyllau yn dal heb eu llenwi; roedd mandyllau o dan 0.1 μm mewn graffit estynedig yn anodd eu treiddio'n llawn, gan atal llenwi'n llwyr. Y tymheredd trwytho gwactod gorau posibl ar gyfer system resin / gwanwr epocsi oedd 50 gradd, a'r ychwanegiad gwanedydd gorau posibl (ether ethylene glycol diglycidyl) oedd 15 wt%. Roedd gan y BP (EGP-H) a gafwyd mewn-ddargludedd awyren o 340.12 S/cm, cryfder hyblyg o 41.52 MPa, a athreiddedd heliwm o 5.4×10⁻⁷ cm³·cm⁻²·s⁻¹.
04 Crynodeb o'r Prif Ddulliau ar gyfer Gwella Perfformiad Platiau Deubegwn Graffit
O ran effeithiau mathau o ddeunydd crai, cymarebau, ac amodau'r broses fowldio ar berfformiad BP, nodir pedair prif agwedd:
(1) Mae resin yn rhwymo gronynnau dargludol ac yn ffurfio rhwydwaith tri dimensiwn ar ôl croesgysylltu, gan wella priodweddau mecanyddol. Fodd bynnag, mae resin gormodol yn lleihau dargludedd. Felly, rhaid optimeiddio cynnwys resin i gydbwyso perfformiad mecanyddol a thrydanol.
(2) Pan mai graffit yw'r prif lenwad dargludol, mae graffit fflawio yn ffurfio llwybrau dargludol yn haws na swmp graffit. Mae maint gronynnau yn effeithio ar ddargludedd a phriodweddau mecanyddol, a dylid pennu dosbarthiad maint gronynnau cywir trwy optimeiddio.
(3) Gall ychwanegiadau bach o garbon du, ffibrau carbon, neu nanotiwbiau carbon lenwi gwagleoedd yn effeithiol a chynyddu llwybrau dargludol. Yn y cyfamser, gallant ffurfio bondiau cofalent â grwpiau swyddogaethol resin neu wella caledwch yn uniongyrchol, a thrwy hynny wella cryfder hyblyg, fel bod dargludedd a phriodweddau mecanyddol BPs cyfansawdd yn cael eu gwella.
(4) Mewn mowldio cywasgu, mae angen optimeiddio cymarebau deunydd crai ac amodau gwasgu poeth yn barhaus, cynyddu gweithrediadau cyfochrog, byrhau cylchoedd cynhyrchu, a chyflawni cynhyrchiad llif parhaus.