Химическое травление для металлических биполярных пластин: Применение, преимущества, материалы и процессы

Введение

Металлические биполярные пластины являются основными компонентами топливных элементов на основе протонообменных мембран (PEM), электролизеров воды на основе PEM и ванадиевых проточных батарей. Они равномерно распределяют газы-реагенты, собирают и проводят электрический ток, отводят тепло и разделяют отдельные ячейки. По мере ускорения развития рынка чистой энергетики производители обращаются к высокоточным производственным технологиям, которые позволяют превращать тонкие металлические листы в надежные, долговечные пластины по конкурентоспособной цене.

Где используются металлические биполярные пластины

Благодаря высокой механической прочности, отличной электро- и теплопроводности и пригодности для тонкостенных конструкций, металлические биполярные пластины широко применяются в быстрорастущих областях применения:

• Топливные элементы PEM — используются в транспортных средствах на топливных элементах, автобусах, грузовиках, вилочных погрузчиках и стационарных системах комбинированного производства тепла и электроэнергии (КЦТЭ).
• Электролизеры воды PEM — ключевой компонент оборудования для производства зеленого водорода.
• Ванадиевые проточные батареи (VRFB) — крупномасштабные системы хранения энергии в сетях и возобновляемых источниках энергии.
• Прямые метанольные топливные элементы и другие электрохимические устройства — компактные портативные и резервные источники питания.

Тенденции развития

По мере того как водородная энергетика выходит на этап крупномасштабной коммерциализации, биполярные пластины становятся легче, тоньше (0,075–0,1 мм), с более высокой точностью потоковых полей и более низкой удельной стоимостью. Конструкторы все чаще предпочитают металлические пластины более толстым графитовым аналогам, что делает выбор производственного процесса решающим фактором для производительности и экономической эффективности.

Почему химическое травление является предпочтительным процессом

Химическое травление (также называемое фотохимическим травлением или фотохимической обработкой) создает каналы потокового поля и контуры металлических биполярных пластин путем селективного удаления металла с помощью фоторезистной маски. Оно предлагает явные преимущества перед штамповкой, механической обработкой и лазерной резкой:

1. Неограниченная свобода дизайна — сложные серпантинные, интердигитальные или биомиметические схемы потоковых полей травятся без штампов или оснастки; изменения дизайна не требуют дополнительных затрат, а прототипирование занимает всего несколько дней.
2. Без заусенцев и напряжений — механическое усилие не применяется, поэтому пластины остаются идеально плоскими без заусенцев, микротрещин или наклепа, защищая деликатную мембрану от прокола.
3. Высокая точность и однородность — каналы потока воспроизводятся с жесткими, постоянными допусками на каждой пластине в партии, что необходимо для равномерного распределения газа и стабильной работы ячейки.
4. Идеально подходит для тонких материалов — ультратонкие листы толщиной от 0,05 мм могут обрабатываться без деформации, что напрямую поддерживает тенденцию к снижению веса в конструкции стека топливных элементов.
5. Масштабируемая экономика — недорогие прототипы плавно переходят в крупносерийное производство без дорогостоящих штампов и минимального времени выполнения заказа.
6. Чистое качество кромок — отсутствие зоны термического влияния (ЗТВ), слоя переплавки и заусенцев на кромках, что сокращает объем последующей обработки.

Травимые металлы и материалы

Химическое травление поддерживает широкий спектр металлов, обычно используемых для биполярных пластин и связанных с ними компонентов:

Возможности по толщине и размеру

Химическое травление обычно применяется к металлическим листам толщиной от 0,05 мм до 1,5 мм, с глубиной травленых каналов потока обычно от 0,1 мм до 0,6 мм и шириной каналов от 0,2 мм и выше. Стандартные производственные панели поддерживают размеры деталей до примерно 600 мм × 600 мм, с возможностью изготовления больших форматов на специальном оборудовании. В зависимости от материала и геометрии, допуска на размеры могут составлять ±0,015 мм, обеспечивая повторяемость, необходимую для сборки стека топливных элементов.

Поддерживающие вспомогательные процессы

Для изготовления готовых биполярных пластин, готовых к сборке, травление сочетается с полным спектром дополнительных процессов:

• Точная резка — лазерная резка или проволочная электроэрозионная обработка для окончательных внешних контуров, коллекторов и сложных вырезов с жесткими допусками.
• Штамповка и формовка — штамповка тонких листов, тиснение и прессовая формовка для вторичных элементов или альтернативных геометрий потоковых полей.
• Покрытие и нанесение покрытий — золотые, платиновые или углеродные покрытия, которые снижают межфазное контактное сопротивление и дополнительно улучшают коррозионную стойкость; а также пассивация и очистка поверхности.
• Другие дополнительные этапы — лазерная сварка пар пластин, испытания на герметичность, проверка плоскостности, измерение размеров на КИМ и проверка профиля поверхности.

Заключение

Химическое травление сочетает в себе гибкость дизайна, точность, качество без заусенцев и экономичную масштабируемость, что делает его одним из наиболее конкурентоспособных производственных маршрутов для металлических биполярных пластин. Если вы разрабатываете топливные элементы или электролизеры и вам нужны высокоточные травленые металлические биполярные пластины, свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваши требования к материалу, толщине, размеру и объему.