カーボンファイバー強化カーボンプラスチックバイポーラプレートの長所と短所- Jiaxing Naco New Material Co.,Ltd.

要約

炭素繊維強化炭素プラスチックバイポーラプレートは、ポリマー加工技術と炭素ベースの複合科学の融合を表しており、軽量、耐食性、拡張性のある電気化学電池コンポーネントへの実現可能な道を提供します。この記事では、彼らの包括的な技術分析を提供します。 材料構成 、製造上の考慮事項、電気化学的性能特性、燃料電池およびフローバッテリースタック内の統合動作。この議論では、バイポーラプレートを個別に検討するのではなく、より広範なシステムアーキテクチャ内でコンポーネントを位置づけ、配合の選択がスタックアセンブリを通じてどのように伝播し、最終的にデバイスレベルの信頼性と耐用年数に影響を与えるかを取り上げます。この材料クラスの固有の強みと未解決のエンジニアリング上の課題の両方が同じ重みで議論され、情報に基づいた選択と導入の決定の基礎が提供されます。

対象となるアプリケーションには、陽子交換膜 (PEM) 燃料電池スタック、水素電解装置、バナジウムレドックスフロー電池 (VRFB) が含まれます。これらのそれぞれは、バイポーラプレートの特性に対して、異なる、場合によっては競合する要求を課します。

1. 電気化学システムにおけるバイポーラプレートの役割

1.1 スタック内の機能的な位置

燃料電池、電解槽、フローバッテリーなど、あらゆる電気化学電池スタック内では、 双極板 （フローフィールドプレートまたはセパレータープレートとも呼ばれます）は、同時に要求される一連の機能を実行します。隣接するセルを電気的に直列に接続し、活性電極領域全体に反応ガスまたは電解質を均一に分配し、水または電解質の輸送を管理し、スタックに構造的剛性を提供し、ほとんどの構成では熱管理導管としても機能する必要があります。これらの機能は独立していないため、1 つを最適化すると他の機能が制約されることがよくあります。たとえば、ガス透過性を低下させるために樹脂含有量を増やすと、導電性が低下する傾向があります。導電率を上げるために繊維の充填量を増やすと、衝撃靱性が損なわれる可能性があります。

バイポーラプレートは通常、スタックの設計とアクティブ領域に応じて、PEM 燃料電池アセンブリのスタックの総質量の 60 ～ 80%、スタックの総体積の 30 ～ 50% を占めます。これにより、バイポーラプレートレベルでの材料と形状の決定が、システムレベルの重量および体積の出力密度に過度の影響を与えます。定置用途でも輸送用途でも同様に、これらの指標はパッケージングや展開だけでなく、原材料の投入量が質量に応じて増加するため、総所有コストにとっても重要です。

1.2 コンテキスト内のマテリアルクラス

歴史的に、バイポーラプレートの設計空間は、機械加工または成形されたグラファイト、打ち抜き金属プレート (ステンレス鋼、チタン、またはコーティングされたアルミニウム)、膨張黒鉛複合材、およびさまざまなポリマーベースの複合材といったいくつかの材料ファミリーに分割されてきました。各クラスは、異なるパフォーマンスプロファイル、コスト構造、および製造の軌跡を示します。

炭素繊維強化炭素プラスチック複合材 この風景の中で独特の位置を占めています。これらは、グラファイトカーボンの高い導電性と耐食性を利用しながら、ネットシェイプ加工と調整可能な機械的特性を可能にするポリマーマトリックスを組み込んでいます。それらの利点と限界を理解するには、材料を単体で理解するだけでなく、完全なスタックシステムを構成する膜電極接合体 (MEA)、ガスケット、エンドプレート、集電体コンポーネントとどのように連携するかを理解する必要があります。

表 1: 主要なバイポーラプレート材料クラスの比較特性の概要

プロパティ	グラファイト	メタリック	カーボンプラスチック (CF 強化)	ピュアポリマー	膨張黒鉛
電気伝導率	非常に高い	高	中程度から高程度	低い	高
かさ密度 (g/cm3)	1.8～2.1	7.9–8.1 (SS)	1.3～1.7	1.0～1.2	0.5～1.2
耐食性	素晴らしい	コーティングが必要です	良い～素晴らしい	素晴らしい	良い
機械的強度	脆い	素晴らしい	良い	中等度	中等度
機械加工性・成形性	難しい、脆い	スタンピング可能	圧縮成形	射出成形	ダイカット
熱伝導率(W/m・K)	80～150	15～25（SS）	10 ～ 60 (方向による)	0.2～0.5	150～300
ガス透過性	非常に低い	なし	非常に低い	中等度	低い
製造の拡張性	低い	高	中～高	高	中
相対コスト指数	高	中	中	低い–Medium	中

値は目安の範囲です。実際の数値は、特定の配合、加工条件、およびテスト方法によって異なります。

2. 材料組成と微細構造

2.1 炭素繊維の種類とプレートの特性に対するそれらの影響

カーボンファイバーの種類の選択は、カーボンプラスチック製のバイポーラプレートを配合する際に最も重要な決定事項の 1 つです。この文脈で使用される炭素繊維は、その前駆体材料 (最も一般的にはポリアクリロニトリル (PAN) ベースの繊維) と、高度な乱層構造からグラファイトに近い結晶化度までのスペクトルにわたる微細構造の配向によって広く分類されます。

炭素短繊維 (通常、配合後の長さは 50 ～ 500 μm) は、圧縮成形および射出成形プレートで使用される主な形状です。その主な利点は、グラファイト粉末、導電性カーボンブラック、および樹脂システムとの大量混合を可能にする熱可塑性および熱硬化性配合プロセスとの適合性です。ただし、短繊維では、成形品中でのランダムな配向により、整列した導電経路ではなく等方性ではあるが中程度の導電性ネットワークが形成されるため、面内導電性の向上には限界があります。

長い繊維または連続繊維の強化材 大幅に高い面内剛性が可能になり、特定の構成では面内導電性が向上しますが、流れ場の形成が複雑になり、特殊なレイアップまたはフィラメントワインディングプロセスが必要になります。ほとんどのバイポーラプレートの用途では、処理の柔軟性の点で短から中程度のファイバー形式が依然として好まれています。

炭素繊維の表面化学、特に繊維表面処理 (サイジング) によって導入された官能基の存在は、ポリマーマトリックスへの接着に影響します。界面結合が不十分だと、圧縮サイクル下で微小亀裂が発生し、時間の経過とともに機械的完全性と電気的接触抵抗の両方が低下する可能性があります。適切な ファイバーマトリックス界面工学 したがって、長期間使用できる電気化学用途のための複合材料配合の重要な側面です。

2.2 ポリマーマトリックスの選択

カーボンプラスチックバイポーラプレートのポリマーマトリックスは、複合材料を保持し、ガス透過性を制御し、加工ルートを定義する結合相として機能します。マトリックスの選択は、電気化学環境における化学的安定性、許容可能な温度および圧力での加工性、導電性フィラーネットワークとの適合性、および予想される動作範囲にわたる熱性能など、いくつかの競合する要件によって決まります。

熱硬化性マトリックス 主にフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フラン樹脂が、歴史的に PEM 燃料電池のバイポーラプレート配合で主流を占めてきました。特にフェノール樹脂は、化学的不活性性、圧縮時の寸法安定性、および大量圧縮成形との適合性の好ましいバランスを提供します。フラン樹脂は加工がより困難ですが、高温での PEM セル内の酸性環境に対する耐性が向上します。また、熱硬化性樹脂の架橋ネットワーク構造は、未架橋の熱可塑性樹脂よりも効果的にガス透過を制限するため、水素クロスオーバーの防止に有利です。

熱可塑性マトリックス ポリプロピレン (PP)、ポリエチレン (PE)、ポリフッ化ビニリデン (PVDF)、およびポリフェニレンサルファイド (PPS) やポリエーテルエーテルケトン (PEEK) などの高性能変種を含む、さまざまな利点があります。熱可塑性プラスチックベースの複合材料は、リサイクル性、再加工性、場合によっては優れた衝撃靱性により、耐用年数が終了した材料の回収が設計目標である場合に魅力的になります。特に PVDF と PPS は、PEM セルやバナジウムベースのフロー電池で遭遇する可能性のある硫酸環境に対して優れた耐薬品性を備えています。ただし、熱可塑性マトリックスで十分に高い導電率を達成するには、パーコレーション閾値を慎重に管理する必要があります。充填剤の充填量は、射出成形または圧縮成形中のメルトフロー挙動を損なうほど高くならないように、導電ネットワークの閾値を超えなければなりません。

2.3 導電性フィラーの構造

ほとんどのカーボンプラスチックバイポーラプレート配合物では、カーボンファイバーだけでは十分なバルク導電性が得られません。したがって、炭素繊維と 1 つ以上の二次導電相を組み合わせたハイブリッドフィラー構造が一般的です。最も広く使用されている二次フィラーには、合成黒鉛粉末 (面内導電性に主に寄与する)、カーボンブラックまたはアセチレンブラック (繊維間の電子輸送をサポートする粒子間架橋を形成する)、および一部の先進的な配合物では、高アスペクト比の導電経路を形成する膨張黒鉛フレークが含まれます。

これらのフィラー成分間の相互作用は複雑です。ポリマーマトリックス内でのカーボンブラックの凝集は、導電ネットワークの有効体積を減少させると同時に、局所的な応力集中を引き起こす可能性があります。グラファイト粉末の粒度分布は、充填効率と界面での表面接触品質の両方に影響します。各フィラーの種類の相対的な割合は、導電率の目標を満たし、ガス透過性の限界を満たし、加工性を維持し、適切な機械的強度を維持するために、最適化する必要があります。このマルチパラメータの最適化は、カーボンプラスチックバイポーラプレート開発における中心的な課題です。

得られた複合微細構造 マイクロスケールでは不均一です。炭素繊維はバックボーンの強化と中程度の伝導経路を提供します。グラファイト粒子は繊維間の空間を埋め、連続的な導電ネットワークに貢献します。カーボンブラック粒子は、より大きなフィラー粒子間のサブミクロンのギャップを橋渡しします。ポリマーマトリックスがこのネットワークを包み込み、結合、密閉、荷重伝達を実現します。この微細構造を理解することは、性能データを解釈し、熱サイクルや電気化学的負荷の下での長期的な挙動を予測するために不可欠です。

3. の利点カーボンファイバー強化カーボンプラスチックバイポーラプレート

3.1 低密度および重量効率

カーボンプラスチックバイポーラプレートの実用上最も重要な特性の 1 つは、 かさ密度が低い これは、使用される特定の樹脂と充填剤の組み合わせに応じて、通常 1.3 ～ 1.7 g/cm3 の範囲になります。これは、金属代替品 (ステンレス鋼: ~7.9 g/cm3、チタン: ~4.5 g/cm3) と比べて優れており、純粋なグラファイト (1.8 ～ 2.1 g/cm3) とほぼ同等でありながら、機械加工されたグラファイトと比べて機械的靭性が向上しています。

スタックレベルでは、金属プレートの代わりにカーボンプラスチックプレートを使用することで大幅な軽量化を実現できます。セルあたりの有効面積が 200 cm² の 100 セル PEM 燃料電池スタックの場合、金属設計とカーボンプラスチック設計の間のバイポーラプレートの質量の差は 10 ～ 15 kg を超える可能性があり、これは輸送およびポータブル電源アプリケーションのシステムレベルの比出力 (kW/kg) に大きく貢献します。単一のスタックモジュールに数百のセルを配列できるグリッドスケールのフローバッテリー設置では、複合プレートによる累積的な重量削減により、構造支持設計が簡素化され、設置の複雑さが軽減されます。

この重量上の利点には副次的な効果もあります。スタックが軽いと、圧縮ハードウェアにかかる機械的負荷が軽減され、モバイル用途での振動による疲労応力が軽減され、組み立てやメンテナンス時の取り扱いが簡素化されます。この利点は、純粋な材料特性の比較では完全には把握できない方法で、システム設計を通じて伝わります。

3.2 酸性環境における耐食性

カーボンプラスチックバイポーラプレートが実証 固有の電気化学的安定性 PEM 燃料電池や PEM 電解槽に特徴的な酸性の湿った環境では。カーボンベースのフィラー相（グラファイト、カーボンファイバー、カーボンブラック）は、一般的な PEM 動作条件（pH 2 ～ 4、60 ～ 80 °C、膜分解副生成物からのフッ化物イオンの存在下）下で熱力学的に安定しています。ポリマーマトリックスは、化学的に不活性な樹脂系から選択される場合、イオン浸出をさらに制限する不動態化層を追加します。

対照的に、金属バイポーラプレートは、オーステナイト系ステンレス鋼やチタン合金で製造されたものであっても、湿度、高温、電気化学電位の複合的な影響により、表面の酸化やイオン放出を受けやすくなります。金属イオンの汚染、特にステンレス鋼からの鉄、クロム、ニッケルイオンは、PEM 燃料電池の膜と触媒層の劣化メカニズムとして十分に文書化されており、時間の経過とともにプロトン伝導性と触媒活性が低下します。カーボンプラスチック複合材料は、その性質上、これらのイオン種を細胞環境に導入しません。

バナジウムレドックスフローバッテリーの場合、化学的環境はさらに過酷です。電解液には濃硫酸 (通常 1.5 ～ 2 M H2SO4) と、正極に存在する強酸化性の V(V) 種を含む複数の酸化状態のバナジウムイオンが含まれています。 PVDF または PPS マトリックスをベースとしたカーボンプラスチックプレートは、この環境で優れた安定性を示し、マトリックスの溶解が最小限に抑えられ、長時間のサイクルでも許容できる炭素相安定性を示します。

3.3 ニアネットシェイプ処理と製造の柔軟性

カーボンプラスチックバイポーラプレートを形成する能力 圧縮成形 または、統合された流れ場チャネルを備えたニアネットシェイプ部品への射出成形は、この材料クラスを機械加工されたグラファイトや一部の金属オプションの両方と区別する製造上の利点です。機械加工されたグラファイトでは、ストック材料の生産に続いて、流路を定義するために時間のかかる多軸フライス加工または研削が必要です。このプロセスは本質的に時間がかかり、大量のグラファイト廃棄物が発生し、研究や少量生産の状況を超えて拡張することは困難です。

対照的に、カーボンプラスチックコンパウンドの圧縮成形では、2 ～ 10 分の 1 回のプレスサイクルで、蛇行、平行、または相互嵌合した流れ場の形状を含む完全なバイポーラプレートを製造できます。金型の形状は、二次加工を行わずに、チャネルの寸法、ランディング幅、入口/出口マニホールドの特徴を直接定義します。このニアネットシェイプ機能により、材料の無駄が削減され、サイクルタイムが短縮され、機械加工材料ではコストが非常にかかる複雑な幾何学的形状が可能になります。

年間数万枚のプレートが必要となる自動車用 PEM 燃料電池スタックなどの大量生産シナリオでは、カーボンプラスチックコンパウンドの圧縮成形をマルチキャビティツーリングや自動マテリアルハンドリングシステムに適用できます。熱硬化性システムのサイクルタイムは熱可塑性プラスチック射出成形よりも長くなりますが、熱硬化性圧縮成形で達成可能な部品品質と流れ場の忠実度は、一般に高アスペクト比のチャネル機能を備えた薄肉プレートの方が優れています。

3.4 調整可能な電気的および熱的特性

モノリシックグラファイトや金属プレートとは異なり、カーボンプラスチック複合材は、 配合許容度 導電性フィラーの種類と割合を変えることで、電気伝導率、熱伝導率、機械的剛性を調整します。この調整可能性は、特定のアプリケーション要件に合わせて設計する場合に、エンジニアリング上の重要な利点となります。

たとえば、ピーク導電率を犠牲にして耐食性と寸法安定性を優先したフローバッテリーバイポーラプレートは、より高いポリマーマトリックス比率と適度な繊維負荷で配合できます。逆に、高出力密度の PEM 燃料電池アプリケーションでは、ガス透過性マージンのある程度のトレードオフを受け入れながら、高電流密度での抵抗損失を最小限に抑えるために、グラファイトと炭素繊維の含有量を増やすことが保証される場合があります。金属プレートには存在せず、純粋なグラファイトに拘束されるこの配合の柔軟性により、基本的な材料プラットフォームを変更することなく、カーボンプラスチックバイポーラプレートをさまざまな用途にわたって配置することができます。

面内方向の熱伝導率は、活性領域からスタック冷却チャネルへの熱の除去を決定し、高伝導性のグラファイトフレークを組み込むか、成形プロセス中に短繊維を整列させることによって高めることができます。この指向性熱管理機能は、大きな活性領域全体で温度の均一性を維持するために重要であり、電解や定置式保管用途でセルサイズが大きくなるにつれて、この要素はますます重要になります。

3.5 低いガス透過性

バイポーラプレートを通過するガスクロスオーバー (アノード側からカソード側への水素の移動、または逆方向の酸素の移動) は、PEM 燃料電池および水素電解槽における安全性と効率性の懸念事項です。カーボンプラスチックのバイポーラプレートは、適切に配合および成形されると、 バルク水素透過性 この値は、燃料電池設計標準で通常使用されるしきい値仕様を大幅に下回っています。水素に対してほとんど不透過性であるポリマーマトリックス相は主なバリアとして機能し、一方、カーボンフィラーネットワークは接続された巨視的な細孔を形成することなく複合材料を通る導電経路を提供します。

この低い透過性は、カーボンプラスチック複合材料に適用可能な成形プロセスの範囲全体で実現可能です。完成したプレートのボイド含有量を最小限に抑えるには、適切なプロセス制御 (特に金型温度、加えられる圧力、熱硬化性樹脂の樹脂硬化プロファイル) が必要です。空隙または不完全な圧密は、複合プレートのガス透過性上昇の主な原因であり、硬化中の揮発物の発生、不十分な型の閉鎖、または薄いチャネル領域への不適切な材料の流れが原因である可能性があります。完成したプレートのヘリウムまたは水素のリークテストによる品質管理は、生産環境では標準的な方法です。

3.6 複数の電気化学アーキテクチャとの互換性

カーボンプラスチック製バイポーラプレートは、単一のデバイスタイプに限定されません。化学環境への適合性を考慮して適切に配合を調整することで、PEM 燃料電池、PEM 水電解装置、アルカリ電解装置 (適切なポリマーマトリックスを選択)、およびレドックスフローバッテリースタックに適用できます。この応用範囲の広さは、部品サプライヤーとマルチテクノロジーのエネルギーポートフォリオを開発するエンドユーザーにとって商業的に関連性があります。

レドックスフロー電池では、バイポーラプレートがイオン隔離という追加機能を実行し、正極と負極の半電池間の電解液の混合を防ぎます。プレート本体内およびガスケットとプレートの界面の両方でポリマーマトリックス相によって提供されるシールは、10 ～ 20 年の寿命にわたって数千サイクルにわたって動作する可能性があるシステムの長期的なスタックの完全性にとって重要です。

4. 欠点とエンジニアリング上の課題

4.1 金属および純粋なグラファイトの基準以下の電気伝導率

カーボンプラスチックバイポーラプレートの主な性能制限は、 電気伝導率 これは、多くの用途では許容可能ですが、依然として純粋なグラファイトまたは金属プレートよりも低いままです。カーボンプラスチック複合材料の一般的な面内バルク抵抗値は、5 ～ 50 mΩ·cm の範囲にあります。これに対し、緻密な機械加工グラファイトの場合は 0.5 ～ 2 mΩ·cm、金属材料の場合は 0.1 mΩ·cm 未満です。バイポーラプレートの性能にとって操作上より重要な方向である面内抵抗率は、成形中の平らなグラファイト粒子と炭素繊維の面内配向が優先されるため、一般にさらに高くなります。

2 A/cm2 以上で動作する電解槽や高出力自動車用燃料電池などの高電流密度アプリケーションでは、このオーム抵抗の上昇がバイポーラプレート全体での測定可能な電圧損失として現れ、システム効率が低下します。バイポーラプレートの表面とガス拡散層 (GDL) または多孔質輸送層 (PTL) の間の接触抵抗は、このオーミックバジェットにさらに寄与し、表面仕上げの品質、ランディング幅の形状、およびアセンブリのクランプ圧力によって強く影響されます。

低く安定した接触抵抗を実現 スタックの耐用年数を超えることは、カーボンプラスチック複合材にとって既知の課題です。圧縮成形されたプレートのポリマーが豊富な表面領域は、成形中に形成される樹脂が豊富な表面層により、バルク材料よりも高い抵抗率を示す場合があります。表面抵抗率を下げるために、制御された研磨、プラズマ処理、薄い炭素コーティングなどの表面処理プロセスが使用されることがありますが、それぞれのプロセスがさらに複雑になり、コストがかかります。

4.2 熱伝導率の異方性と面通過の制限

電気化学スタックの熱管理は、次の要素に大きく依存します。 面貫通熱伝導率 バイポーラプレートの、活性反応ゾーンからプレート構造に統合された冷却剤チャネルへの熱伝達を制御します。カーボンプラスチック複合材料の平面熱伝導率は、適切に配合されたシステムでは通常 10 ～ 20 W/(m·K) ですが、これと比較して、同じ方向に機械加工されたグラファイトの場合は 100 ～ 150 W/(m·K)、オーステナイト系ステンレス鋼の場合は 15 ～ 25 W/(m·K) です。

カーボンプラスチック複合材の絶対値は中程度の出力密度には必ずしも不十分ではありませんが、熱伝導率の異方性の性質（粒子と繊維の配向により面内伝導率が面貫通伝導率の 2 ～ 5 倍になる場合があります）により、スタック内の熱流路に非対称性が生じます。出力密度が高い場合、活性領域の厚さ全体にわたって温度勾配が上昇する可能性があり、PEM 燃料電池のアノードでの膜のドライアウトやカソードでのフラッディングにつながる可能性があります。

面内熱伝導率の制限に対処するには、面外配向が良好な高伝導性フィラー材料を使用するか (標準的な圧縮成形では達成が困難)、より高密度に分散された冷却剤チャネルまたはアクティブ冷却アーキテクチャを通じて下部プレート伝導率に対応するシステムレベルの熱管理設計が必要です。

4.3 凍結融解および熱サイクル下での機械的挙動

熱硬化性マトリックスをベースにしたカーボンプラスチックバイポーラプレートは、一般に次のような症状を示します。 脆性破壊挙動 衝撃や曲げ荷重がかかる場合。圧縮強度は一般的なスタッククランプ圧力には十分ですが、熱サイクル条件下での引張亀裂や層間剥離に対する耐性は金属製の代替品よりも低くなります。これは、自動車用燃料電池アプリケーションで特に重要になります。スタックは、車両の寿命にわたって、ガスシールや構造的完全性を損なう亀裂を生じさせることなく、複数回の凍結融解サイクル (動作環境: -40 °C ～ 80 °C 以上) に耐える必要があります。

凍結中、流れ場のチャネルと GDL 細孔に保持されている水は体積的に膨張します。バイポーラプレートの材料が、弾性コンプライアンスによって、または気密性を損なうことなく制御された微小亀裂によって、関連する応力に適応できない場合、シールの完全性が損なわれる可能性があります。熱硬化性樹脂ベースの複合材料の破断伸びは通常 1 ～ 2% 未満に制限されており、亀裂を生じることなく凍結融解応力を吸収する能力が制限されています。熱可塑性プラスチックベースのカーボンプラスチック複合材料は、一般にこの点でより優れた破壊靱性を提供しますが、高温での化学的安定性と寸法安定性がある程度犠牲になる可能性があります。

長期にわたる周期的な機械的負荷は、比較的低い応力振幅であっても、複合材料内の繊維とマトリックスの界面で進行性の界面劣化を引き起こす可能性があります。これは、接触抵抗の徐々に増加し、特に 80 °C を超える温度でのフェノールベースのシステムでは、クリープによる流路チャネル形状の微妙な変化として現れる可能性があります。

4.4 繊維配向による異方性

カーボンプラスチックバイポーラプレートの電気的および機械的特性は、本質的に次のとおりです。 方向に依存する 成形流動中の短い炭素繊維の優先配向によるものです。圧縮成形では、繊維がプレート表面（面内）に対して平行に整列する傾向があり、その結果、面内の導電性が高く、面内の導電性が低くなります。射出成形では、繊維はフローフロントの形状によって決定されるより複雑な配向分布を示すことがあり、専用のプロセスシミュレーションなしでは予測が困難なプレート全体の特性勾配につながります。

この配向に起因する異方性は本質的に問題ではなく、面内熱拡散と面内電気輸送にとっては有益である可能性があります。ただし、平面特性にばらつきが生じ、大判プレート (有効面積 >400 cm²) では、プレート面全体に均一な繊維の分布と配向を実現するには、ゲートの配置、金型充填シミュレーション、および複合レオロジーに細心の注意を払う必要があります。繊維分布の不均一性は電気抵抗の不均一性に直接変換され、活性領域全体にわたる不均一な電流密度分布として現れます。これは、局所的な触媒と膜の劣化を促進する要因となります。

4.5 接触抵抗の長期安定性

の 接触抵抗 バイポーラプレートと隣接する多孔質輸送層 (カーボンペーパー、カーボンクロス、または電解槽内の焼結チタンフェルト) の間の特性は、静的ではなく動的です。動作時間、スタッククランプ力の分布、温度履歴、電気化学的環境によって変化します。カーボンプラスチック複合材料では、電気化学的電位と動作温度条件下での炭素相の表面酸化が主な懸念事項であり、表面抵抗率が徐々に増加する可能性があります。

PEM 燃料電池のカソードでは、約 0.7 V を超える動作電位で炭素の酸化が熱力学的に促進されます。この状態は、起動時と停止時の過渡現象、および開回路保持期間中に発生します。ポリマーマトリックス相は酸化攻撃に対するある程度の障壁を提供しますが、プレート表面の露出したカーボンフィラーは影響を受けやすくなります。数千の動作時間にわたって、これにより界面抵抗が測定可能なほど増加し、フィールド診断中に膜または触媒の劣化と区別することが困難な性能低下の一因となる可能性があります。

フローバッテリーの用途では、一般に電気化学電位窓は PEM 燃料電池ほど極端ではありませんが、バナジウム電解質との継続的な接触により、特に正極半電池で異なる酸化経路が導入されます。カーボンファイバーおよびグラファイトの表面はバナジウムイオンの酸化および還元反応を触媒する可能性があり、長期のサイクルで表面の化学的性質が変化する可能性があります。

4.6 高温動作の制約事項

PEM 燃料電池の動作温度を 100 °C 以上に高めること（白金族金属触媒の CO 耐性を改善し、液体の水が凝縮しない動作を可能にすることで水の管理を簡素化するために追求される戦略）では、バイポーラプレートの材料にさらなる要求が課せられます。従来のフェノールまたはエポキシベースのカーボンプラスチック複合材料は、120 ～ 160 °C に近づく温度でマトリックスの軟化、加水分解の促進、またはガス透過性の増加が発生する可能性があります。この温度は、リン酸ドープポリベンゾイミダゾール (PBI) 膜を使用した高温 PEM (HT-PEM) 設計の対象範囲です。

HT-PEM 用途の場合、ポリマーマトリックスは高温でのリン酸蒸気の存在下で寸法安定性と耐薬品性を維持する必要があるため、多くの標準的な熱硬化性システムが不要になります。 PEEK や変性ポリフェニルスルホン (PPSU) などの特殊高温熱可塑性樹脂は、熱安定性が優れていますが、配合と加工が大幅に複雑になり、コストが汎用の熱硬化性樹脂システムよりも大幅に高くなります。

4.7 リサイクルと耐用年数終了に関する考慮事項

熱硬化性マトリックスをベースにしたカーボンプラスチックバイポーラプレートが存在 人生の終わりの課題 金属プレートには存在しません。金属プレートは、確立された金属スクラップ処理の流れを通じて回収およびリサイクルできます。対照的に、熱硬化性複合材料は、架橋された分子ネットワークのため、再溶融および再加工することができません。熱硬化性炭素複合材料のリサイクルの現在のオプションには、機械的粉砕 (低価値のフィラー材料が得られる)、熱分解 (品質の低下した炭素繊維を回収する)、および加溶媒分解 (マトリックスの化学分解、高品質の繊維を回収するが、より高いプロセスコストとエネルギー投入が必要) が含まれます。

バッテリーおよび燃料電池システムの寿命管理を管理する規制の枠組みが主要市場で発展するにつれて、バイポーラプレート材料のリサイクル可能性が選択基準となる可能性があります。熱可塑性プラスチックベースのカーボンプラスチック複合材料は、原則としてマトリックス相を再溶解して再処理できるため、部分的な解決策を提供しますが、バイポーラプレート材料として再利用するために完全な複合材料を回収することは依然として技術的に困難です。

5. 製造プロセスの考慮事項

5.1 圧縮成形

圧縮成形は、熱硬化性樹脂ベースのカーボンプラスチックバイポーラプレートの製造プロセスとして最も広く使用されています。このプロセスでは、事前に計量したコンパウンド（通常はカーボンファイバー、グラファイトパウダー、樹脂、プロセス添加剤を含むバルクモールディングコンパウンド（BMC）またはシートモールディングコンパウンド（SMC））をオープンモールドキャビティに配置し、制御された温度と圧力下で圧縮して、樹脂の流動、固化、硬化を実現します。

の process variables critical to plate quality include mold temperature (typically 150–180 °C for phenolic systems), applied pressure (commonly 5–20 MPa for thin plates), cure dwell time, mold surface finish, and compound flow characteristics. Mold release agent management is important to avoid surface contamination that can impair subsequent bonding or surface treatment steps. Plate-to-plate repeatability in electrical resistance, thickness uniformity, and flow channel fidelity are monitored in production as key process indicators.

5.2 射出成形とトランスファー成形

射出成形は主に短繊維熱可塑性複合材料に適用され、次のようなメリットをもたらします。 サイクルタイムの短縮 圧縮成形よりも小型のプレートの大量生産に適しています。ただし、射出プロセスでは、流動中にコンパウンドが高いせん断速度にさらされるため、繊維の長さが切断され、が破壊される可能性があります。