แผ่นไบโพลาร์ & คู่มือการตลาดแผ่นไบโพลาร์กราไฟท์แบบยืดหยุ่น

คืออะไร แผ่นขั้วสองขั้ว ?

เพลตไบโพลาร์เป็นส่วนประกอบเชิงโครงสร้างและเชิงหน้าที่ที่เป็นแกนกลางของเซลล์เคมีไฟฟ้า โดยหลักๆ แล้ว เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) และแบตเตอรี่ไหล แต่ละแผ่นจะสัมผัสขั้วบวกของเซลล์หนึ่งและแคโทดของเซลล์ที่อยู่ติดกันพร้อมกัน โดยเรียงซ้อนกันด้วยระบบไฟฟ้าในขณะที่แยกก๊าซของสารตั้งต้นออกทางกายภาพ ในเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน PEM เพลตสองขั้วจะจัดการฟังก์ชันสามอย่างพร้อมกัน ได้แก่ การกระจายไฮโดรเจนและออกซิเจนผ่านช่องสนามการไหลแบบกลึงหรือแบบหล่อ นำอิเล็กตรอนระหว่างเซลล์ และขจัดความร้อนและน้ำที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า

แผ่นขั้วสองขั้วบัญชีสำหรับ 60–80% ของน้ำหนักทั้งหมด และประมาณ 30–40% ของต้นทุนทั้งหมด ของกองเซลล์เชื้อเพลิง PEM ทำให้การเลือกวัสดุและวิธีการผลิตเป็นปัจจัยสำคัญในด้านประสิทธิภาพของกองเซลล์ ความทนทาน และความมีชีวิตในเชิงพาณิชย์ วัสดุแผ่นไบโพลาร์ในอุดมคติผสมผสานการนำไฟฟ้าสูง การซึมผ่านของก๊าซต่ำ ความต้านทานการกัดกร่อนที่แข็งแกร่งในสภาพแวดล้อมอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นกรด (pH 2–4) ความแข็งแรงทางกลที่เพียงพอที่จะรับแรงอัดของการประกอบ และความหนาแน่นต่ำเพียงพอที่จะบรรลุเป้าหมายความหนาแน่นพลังงานแบบกราวิเมตริกในการใช้งานการขนส่ง

วัสดุที่ใช้ในการผลิตแผ่นไบโพลาร์

วัสดุหลักสามประเภทแข่งขันกันในการผลิตเพลตแบบไบโพลาร์ โดยแต่ละประเภทมีข้อแลกเปลี่ยนที่แตกต่างกันในด้านค่าการนำไฟฟ้า น้ำหนัก ความต้านทานการกัดกร่อน ความสามารถในการผลิต และต้นทุน

กราไฟท์ที่ตัดเฉือนยังคงเป็นเกณฑ์มาตรฐานสำหรับการใช้งานในห้องปฏิบัติการและแบบอยู่กับที่ ซึ่งต้นทุนและน้ำหนักเป็นรองจากความสม่ำเสมอของประสิทธิภาพ แผ่นโลหะ — สเตนเลสสตีลประทับบางพร้อมเคลือบ PVD หรือทอง — ครองเซลล์เชื้อเพลิงของยานยนต์ (Toyota Mirai, Hyundai NEXO) เนื่องจากมีความแข็งแรงเชิงกลสูงทำให้แผ่นบางเท่ากับ 0.1–0.2 มม ทำให้สามารถวางสแต็กที่มีขนาดกะทัดรัดและมีความหนาแน่นพลังงานสูงได้ กราไฟท์ที่ยืดหยุ่นและวัสดุคอมโพสิตที่ยึดกับโพลีเมอร์ครอบครองพื้นที่ตรงกลางสำหรับตลาดการผลิตไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ พลังงานสำรอง และตลาดอิเล็กโทรไลเซอร์ที่เกิดขึ้นใหม่

แผ่นกราไฟท์ไบโพลาร์แบบยืดหยุ่น: คุณสมบัติและการผลิต

กราไฟท์แบบยืดหยุ่น หรือเรียกอีกอย่างว่ากราไฟท์แบบขยายหรือกราไฟท์แบบขัดผิว ผลิตโดยกราไฟท์เกล็ดธรรมชาติสลับกับกรดซัลฟิวริกหรือกรดไนตริก จากนั้นให้ความร้อนอย่างรวดเร็วจนถึงอุณหภูมิสูงกว่า 800°C การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันทำให้ชั้นกราไฟท์ขยายตั้งฉากกับระนาบฐานด้วยปัจจัยหนึ่ง 200–400× ซึ่งผลิตโครงสร้างคล้ายหีบเพลงแนวตั้งที่สามารถม้วนบีบอัดเป็นแผ่นฟอยล์ที่มีความหนาแน่นและยึดติดได้เองโดยไม่ต้องใช้สารยึดเกาะโพลีเมอร์

องค์ประกอบที่ปราศจากสารยึดเกาะนี้เป็นตัวสร้างความแตกต่างที่สำคัญ คอมโพสิตกราไฟท์ที่จับกับโพลีเมอร์ประกอบด้วยเรซิน 20–40% โดยน้ำหนัก ซึ่งช่วยลดการนำไฟฟ้าและทำให้เกิดเฟสอินทรีย์ที่สามารถย่อยสลายได้ภายใต้สภาวะออกซิไดซ์ภายในเซลล์เชื้อเพลิง ในทางตรงกันข้าม แผ่นกราไฟท์ที่มีความยืดหยุ่นคือ คาร์บอนบริสุทธิ์ 99% โดยให้ความคงตัวทางเคมีตลอดช่วง pH การทำงานเต็มรูปแบบของเซลล์เชื้อเพลิง PEM และแบตเตอรี่แบบไหล ตลอดจนความเสถียรทางความร้อนที่มากกว่า 450°C ในบรรยากาศที่ไม่ออกซิไดซ์

วิธีการสร้างสนามไหล

ช่องที่กระจายก๊าซของสารตั้งต้นไปทั่วพื้นผิวส่วนประกอบอิเล็กโทรดเมมเบรน (MEA) สามารถเกิดขึ้นได้ในกราไฟท์ที่ยืดหยุ่นผ่านกระบวนการต่างๆ:

• การอัดขึ้นรูป — วิธีการที่พบบ่อยที่สุด แม่พิมพ์เหล็กกลึงกดรูปแบบช่องลงในแผ่นกราไฟท์ที่ยืดหยุ่นภายใต้ความร้อนและความดัน รอบเวลา 1-3 นาทีทำให้มีปริมาณการผลิตปานกลาง
• ม้วนลายนูน — กระบวนการต่อเนื่องโดยใช้ลูกกลิ้งแกะสลักเพื่อพิมพ์รูปทรงของช่องลงในแผ่นสต็อค เหมาะสำหรับการผลิตปริมาณมากและโปรไฟล์หน้าตัดที่สอดคล้องกัน
• เครื่องจักรกลซีเอ็นซี — ใช้สำหรับงานต้นแบบและงานปริมาณน้อยซึ่งการลงทุนด้านเครื่องมือสำหรับการขึ้นรูปไม่สมเหตุสมผล ช้ากว่าและสิ้นเปลืองกว่าการขึ้นรูปแต่ให้ความยืดหยุ่นในการออกแบบสูงสุด

ความท้าทายในการผลิตที่สำคัญกับกราไฟท์แบบยืดหยุ่นก็คือ การนำไฟฟ้าแบบแอนไอโซทรอปิก : ค่าการนำไฟฟ้าในระนาบ (ขนานกับพื้นผิวแผ่น) สูงกว่าค่าการนำไฟฟ้าผ่านระนาบอย่างมาก (ตั้งฉากกับพื้นผิว) เนื่องจากกระแสไหลผ่านระนาบในชั้นเซลล์เชื้อเพลิง การปรับความหนาแน่นของการบีบอัดและความต้านทานการสัมผัสพื้นผิวให้เหมาะสมจึงเป็นสิ่งสำคัญ โดยทั่วไปแผ่นจะถูกบีบอัดให้มีความหนาแน่น 1.0–1.3 ก./ซม.³ ด้วยความหนาแน่นที่สูงขึ้น การปรับปรุงการนำผ่านระนาบแต่ลดความสามารถในการอัดซึ่งช่วยให้แผ่นสอดคล้องกับความผิดปกติของพื้นผิว MEA

ตลาดแผ่นกราไฟท์สองขั้วที่ยืดหยุ่น: ขนาด การเติบโต และตัวขับเคลื่อน

ตลาดแผ่นไบโพลาร์ทั่วโลกมีมูลค่าประมาณ 1.2–1.5 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2566 และคาดว่าจะเติบโตที่อัตราการเติบโตต่อปีแบบทบต้น (CAGR) ที่ 18–24% จนถึงปี 2030 โดยได้รับแรงหนุนหลักจากการขยายขนาดการใช้งานเซลล์เชื้อเพลิง PEM ในการขนส่ง พลังงานที่อยู่กับที่ และการผลิตไฮโดรเจนผ่านอิเล็กโทรลิซิส ภายในตลาดที่กว้างขึ้นนี้ แผ่นกราไฟท์แบบสองขั้วที่มีความยืดหยุ่นมีส่วนแบ่งที่สำคัญในกลุ่มพลังงานแบบอยู่กับที่และพลังงานสำรอง โดยที่ความต้านทานการกัดกร่อน ความเรียบง่ายในการผลิต และการไม่มีการเคลือบพื้นผิวที่มีราคาแพง ให้ความได้เปรียบด้านต้นทุนมากกว่าทางเลือกที่เป็นโลหะ

ตัวขับเคลื่อนตลาดที่สำคัญ

• การขยายตัวของเศรษฐกิจไฮโดรเจน — กลยุทธ์ไฮโดรเจนของรัฐบาลทั่วทั้งสหภาพยุโรป (REPowerEU), สหรัฐอเมริกา (พระราชบัญญัติลดเงินเฟ้อ, เครดิตภาษีการผลิตไฮโดรเจน), ญี่ปุ่น, เกาหลีใต้ และจีน กำลังผลักดันการใช้งานเซลล์เชื้อเพลิงในระดับที่น้อยมากในเชิงพาณิชย์เมื่อห้าปีที่แล้ว กำลังการผลิต PEM ที่ติดตั้งแต่ละเมกะวัตต์ต้องใช้แผ่นไบโพลาร์นับแสนถึงหลายพันแผ่น
• การขยายขนาดอิเล็กโทรไลเซอร์ — อิเล็กโทรไลเซอร์ PEM สำหรับการผลิตไฮโดรเจนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมใช้เพลตไบโพลาร์ที่มีความต้องการวัสดุคล้ายกับเซลล์เชื้อเพลิง แต่อยู่ภายใต้สภาวะการทำงานที่แตกต่างกัน (แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น การวิวัฒนาการของออกซิเจนที่ขั้วบวก) ตลาดอิเล็กโทรไลเซอร์มีการเติบโตเร็วกว่าตลาดเซลล์เชื้อเพลิงในบางการคาดการณ์ ทำให้เกิดความต้องการวัสดุแผ่นกราไฟท์แบบคู่ขนาน
• การใช้งานแบตเตอรี่โฟลว์ — แบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์โฟลว์ (VRFB) และระบบเคมีการไหลอื่นๆ ใช้เพลตไบโพลาร์เพื่อแยกช่องใส่อิเล็กโทรไลต์ ความต้านทานของกราไฟท์ที่ยืดหยุ่นต่ออิเล็กโทรไลต์วาเนเดียม (มีความเป็นกรดสูงและออกซิไดซ์) ทำให้เป็นวัสดุที่ต้องการสำหรับการใช้งานในการจัดเก็บระยะยาวโดยจับคู่กับการผลิตพลังงานหมุนเวียน
• แรงกดดันในการลดต้นทุนบนแผ่นโลหะ — แม้ว่าแผ่นโลหะที่มีการประทับตราจะครองกองซ้อนของยานยนต์ แต่ข้อกำหนดในการเคลือบการกัดกร่อนของโลหะกลุ่มแพลตตินัมหรือทองคำจะเพิ่มต้นทุนที่ผู้ผลิตกำลังดำเนินการเพื่อกำจัด สิ่งนี้จะสร้างการประเมินอย่างต่อเนื่องของทางเลือกที่ใช้กราไฟท์ในส่วนที่ไม่ใช่ยานยนต์ ซึ่งความหนาแน่นของพลังงานกองซ้อนมีความสำคัญน้อยกว่า

ภูมิทัศน์ระดับภูมิภาค

เอเชียแปซิฟิก ซึ่งนำโดยจีน ญี่ปุ่น และเกาหลีใต้ ถือครองส่วนแบ่งที่ใหญ่ที่สุดของกำลังการผลิตแผ่นสองขั้วในปัจจุบัน โดยได้รับการสนับสนุนจากห่วงโซ่อุปทานเซลล์เชื้อเพลิงแบบบูรณาการในแนวตั้ง จีนเพียงประเทศเดียวได้ตั้งเป้าหมายระดับชาติมาเป็นเวลานานแล้ว รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน 50,000 คัน ภายในปี 2568 และกำลังลงทุนอย่างมากในการประมวลผลวัสดุกราไฟท์ในประเทศสำหรับทั้งเพลตไบโพลาร์และแอโนดของแบตเตอรี่ ยุโรป เป็นตลาดที่เติบโตเร็วที่สุดจากกำลังการผลิตอิเล็กโตรไลเซอร์ที่ติดตั้ง โดยมีโครงการต่างๆ เช่น European Clean Hydrogen Alliance กำลังเร่งความต้องการ ทวีปอเมริกาเหนือ กำลังขยายขนาดโดยใช้กำลังไฟฟ้าคงที่ การขนส่งหนัก (Hyzon, Nikola, Plug Power) และแอปพลิเคชันด้านการป้องกันเป็นหลัก

ผู้เข้าร่วมอุตสาหกรรมหลักที่ทำงานในส่วนแผ่นกราไฟท์แบบยืดหยุ่นและแผ่นกราไฟท์คอมโพสิต ได้แก่ SGL Carbon, Toray Industries, Dana Incorporated, Schunk Carbon, Mersen และ GrafTech International บริษัทเหล่านี้หลายแห่งเป็นผู้ผลิตวัสดุและผู้แปรรูปเพลทไปพร้อมๆ กัน ทำให้พวกเขามีข้อได้เปรียบในการบูรณาการในแนวตั้งตามขนาดปริมาณ

ความท้าทายทางเทคนิคและทิศทางการพัฒนา

แม้จะมีโมเมนตัมของตลาดที่แข็งแกร่ง แต่แผ่นไบโพลาร์กราไฟท์ที่ยืดหยุ่นได้ต้องเผชิญกับความท้าทายทางเทคนิคและเชิงพาณิชย์หลายประการ ซึ่งกำลังกำหนดลำดับความสำคัญของการวิจัยและพัฒนาในปัจจุบัน:

• การซึมผ่านของก๊าซที่ความหนาต่ำ — ในขณะที่นักออกแบบดันความหนาของแผ่นให้ต่ำกว่า 1 มม. เพื่อลดปริมาตรของปึก ไฮโดรเจนครอสโอเวอร์ผ่านแผ่นกราไฟท์กลายเป็นข้อกังวลด้านความน่าเชื่อถือ การเคลือบเรซินหรือการเคลือบกั้นบางสามารถลดการซึมผ่านได้ แต่นำเฟสโพลีเมอร์กลับคืนมาซึ่งลดความได้เปรียบด้านความเสถียรทางเคมีของวัสดุ
• ความเปราะบางทางกล — แผ่นกราไฟท์ที่มีความยืดหยุ่นจะเปราะในทิศทางทะลุระนาบ และไวต่อการหลุดร่อนภายใต้การหมุนเวียนด้วยความร้อนซ้ำๆ หรือการจัดการที่ผิดพลาดในการประกอบ คอมโพสิตลามิเนต — กราไฟท์บางยืดหยุ่นที่ยึดติดกับคาร์บอนไฟเบอร์หรือโพลีเมอร์ — กำลังได้รับการพัฒนาเพื่อปรับปรุงความสามารถในการควบคุมโดยไม่ทำให้ค่าการนำไฟฟ้าลดลง
• การปรับปรุงการนำไฟฟ้าผ่านระนาบ — การบรรลุค่าการนำไฟฟ้าผ่านระนาบที่สูงกว่า 100 S/cm ที่ความหนาแน่นอัดที่สามารถนำไปใช้ได้ในเชิงพาณิชย์ยังคงเป็นความท้าทายด้านวัสดุศาสตร์ การเติมเกล็ดเลือดนาโนกราไฟท์เชิงทิศทางและโปรโตคอลการบำบัดด้วยความร้อนเป็นหนึ่งในแนวทางที่อยู่ระหว่างการตรวจสอบ
• การขยายขนาดผลผลิตการผลิต — การสร้างช่องช่องการไหลโดยการขึ้นรูปแบบอัดให้ผลลัพธ์ที่ยอมรับได้ในการตั้งค่าในห้องปฏิบัติการ แต่การรักษาความคลาดเคลื่อนของมิติที่ ±0.05 มม. ตลอดการดำเนินการผลิตปริมาณมากต้องใช้เครื่องมือที่มีความแม่นยำและการควบคุมกระบวนการซึ่งจะเพิ่มต้นทุนในระดับการผลิตปัจจุบัน

เป้าหมายทางเทคนิคของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาสำหรับเพลตไบโพลาร์ตั้งเป้าหมายความต้านทานไฟฟ้าผ่านระนาบที่ ต่ำกว่า 10 mΩ·cm² และความหนาแน่นกระแสการกัดกร่อนที่ต่ำกว่า 1 µA/ซม.² — เกณฑ์มาตรฐานที่กราไฟท์แบบยืดหยุ่นมีคุณสมบัติตรงตามคุณสมบัติการกัดกร่อนโดยธรรมชาติ แต่จะเข้าใกล้ด้วยความหนาแน่นอย่างระมัดระวังและการปรับปรุงพื้นผิวให้เหมาะสมที่สุดสำหรับความต้านทาน การประชุมทั้งสองอย่างพร้อมกันในเพลตที่มีขนาดต่ำกว่า 1 มม. ถือเป็นความท้าทายทางวิศวกรรมส่วนกลางสำหรับส่วนนี้ในอีกห้าปีข้างหน้า

แผ่นไบโพลาร์ในแบตเตอรี่ Flow และอิเล็กโทรไลเซอร์

แม้ว่าเซลล์เชื้อเพลิง PEM จะควบคุมความสนใจของเพลตแบบไบโพลาร์ส่วนใหญ่ แต่ส่วนประกอบดังกล่าวก็มีบทบาทสำคัญในเทคโนโลยีไฟฟ้าเคมีสองชนิดที่อยู่ติดกันซึ่งมีเส้นทางการเติบโตของตลาดที่สำคัญเช่นกัน

แบตเตอรี่วานาเดียมรีดอกซ์โฟลว์

ใน VRFB แผ่นไบโพลาร์จะแยกครึ่งเซลล์บวกและลบ และต้องทนทานต่อการสัมผัสวานาเดียมเพนท็อกไซด์ในกรดซัลฟิวริกอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นหนึ่งในอิเล็กโทรไลต์ที่มีฤทธิ์รุนแรงทางเคมีมากกว่าในการจัดเก็บพลังงานเชิงพาณิชย์ กราไฟท์ที่ยืดหยุ่นและคอมโพสิตคาร์บอน-โพลีเมอร์ทำงานได้ดีที่นี่ โดยกราไฟท์ที่มีความยืดหยุ่นเป็นที่นิยมเนื่องจากไม่มีเฟสโพลีเมอร์ที่วาเนเดียมสามารถย่อยสลายแบบออกซิเดชันได้ การใช้งาน VRFB สำหรับการจัดเก็บพลังงานระยะยาวในระดับกริด (การคายประจุ 4–12 ชั่วโมง) แสดงถึงกระแสความต้องการแผ่นขั้วสองขั้วที่เพิ่มขึ้น เป็นอิสระจากเศรษฐกิจไฮโดรเจนเป็นส่วนใหญ่ ทำให้เกิดการกระจายตลาดสำหรับผู้ผลิตแผ่นกราไฟท์

PEM อิเล็กโทรไลเซอร์

อิเล็กโทรไลเซอร์ PEM แบ่งน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนภายใต้แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ โดยทำงานที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าสูงกว่า (2–3 A/ซม.²) และมีศักย์ไฟฟ้าแอโนดสูงกว่าเซลล์เชื้อเพลิง สภาพแวดล้อมในการวิวัฒนาการของออกซิเจนที่ขั้วบวกมีการออกซิไดซ์สูง ซึ่งกำจัดแผ่นที่ใช้กราไฟท์ส่วนใหญ่ที่ด้านขั้วบวก ปัจจุบันไทเทเนียมที่เคลือบด้วยแพลตตินัมหรืออิริเดียมเป็นมาตรฐาน อย่างไรก็ตาม ด้านแคโทด (วิวัฒนาการของไฮโดรเจน) มีความอ่อนโยนมากกว่า และแผ่นที่ใช้กราไฟต์ก็ถูกนำมาใช้ในการใช้งานด้านแคโทดในการออกแบบบางอย่าง เนื่องจากผู้ผลิตอิเล็กโทรไลเซอร์ต้องการลดต้นทุน แผ่นกราไฟท์ด้านแคโทดจึงเป็นโอกาสทางการค้าที่เกิดขึ้นจริง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการติดตั้งขนาดเมกะวัตต์ ซึ่งต้นทุนวัสดุต่อหน่วยพื้นที่มีความสำคัญ