バイポーラ プレートおよびフレキシブル グラファイト バイポーラ プレート マーケット ガイド

とは何ですか バイポーラプレート ?

バイポーラ プレートは、主に電気化学セルの中核となる構造および機能コンポーネントです。 固体高分子交換膜 (PEM) 燃料電池 そしてフロー電池。各プレートは、1 つのセルのアノードと隣接するセルのカソードに同時に接触し、反応ガスを物理的に分離しながら電気的に直列に積み重ねます。 PEM 水素燃料電池では、バイポーラ プレートが 3 つの同時機能を管理します。つまり、機械加工または成形された流路チャネルを介して水素と酸素を分配し、セル間で電子を伝導し、電気化学反応によって生成された熱と水を除去します。

双極板が原因となる 総重量の60～80% そしておよそ 総費用の 30 ～ 40% PEM 燃料電池スタックの材料選択と製造方法がスタックの性能、耐久性、商業的実現可能性の主要な要素となります。理想的なバイポーラ プレート材料は、高い導電性、低いガス透過性、酸性電解質環境 (pH 2 ～ 4) での強力な耐食性、アセンブリの圧縮に対処するのに十分な機械的強度、および輸送用途での重量電力密度目標を満たすのに十分な低い密度を兼ね備えています。

バイポーラプレートの製造に使用される材料

バイポーラ プレートの製造では 3 つの主要な材料カテゴリが競合しており、それぞれのカテゴリでは、導電性、重量、耐食性、製造容易性、およびコストにおいて明確なトレードオフがあります。

機械加工されたグラファイトは、コストと重量が性能の一貫性よりも二の次である実験室および定置用途のベンチマークのままです。自動車用燃料電池スタック (トヨタ ミライ、ヒュンダイ NEXO) では、金属プレート (PVD または金コーティングを施した薄いスタンプ ステンレス鋼) が主流となっています。これは、その高い機械的強度により、プレートをこれほどまでに薄くすることができるためです。 0.1～0.2mm 、コンパクトで高電力密度のスタックを可能にします。柔軟なグラファイトとポリマー結合複合材料は、定置型発電、バックアップ電源、および新興電解槽市場の中間を占めています。

フレキシブルグラファイトバイポーラプレート: 特性と製造

膨張黒鉛または剥離黒鉛とも呼ばれる柔軟な黒鉛は、天然の鱗片状黒鉛に硫酸または硝酸を挿入し、それを 800°C 以上の温度に急速加熱することによって生成されます。熱衝撃により、グラファイト層は基底面に対して垂直に 1 倍に膨張します。 200～400× バーミキュラのアコーディオン状の構造を生成し、ポリマーバインダーを使用せずにロール圧縮して緻密な自己接着性のフォイルシートを作成できます。

このバインダーフリーの組成が重要な差別化要因です。ポリマー結合グラファイト複合材料には重量で 20 ～ 40% の樹脂が含まれており、これにより導電性が低下し、燃料電池内部の酸化条件下で劣化する可能性のある有機相が導入されます。対照的に、柔軟なグラファイトシートは、 99% 純度のカーボン これにより、PEM 燃料電池およびフロー電池の動作 pH 範囲全体にわたって化学的安定性が得られるほか、非酸化性雰囲気で 450°C 以上までの熱安定性も得られます。

流れ場の形成方法

膜電極接合体 (MEA) 表面全体に反応ガスを分配するチャネルは、いくつかのプロセスを通じて柔軟なグラファイトに形成できます。

• 圧縮成形 — 最も一般的な方法。機械加工されたスチール金型が、熱と圧力の下でチャネル パターンを柔軟なグラファイト シートに押し込みます。 1 ～ 3 分のサイクル時間により、中程度の生産量が可能になります。
• ロールエンボス加工 — 彫刻ローラーを使用してチャネル形状をシートストックに刻印する連続プロセス。大量生産と一貫した断面プロファイルに適しています。
• CNC加工 — 成形のための工具投資が正当化されないプロトタイプおよび少量作業に使用されます。成形よりも時間がかかり、無駄が多くなりますが、設計の柔軟性が最大限に高まります。

柔軟なグラファイトの製造における重要な課題は、 異方導電率 ：面内導電率（シート表面に平行）が、面内導電率（シート表面に垂直）よりも実質的に高い。燃料電池スタックでは電流が面を通って流れるため、圧縮密度と表面接触抵抗を最適化することが不可欠です。プレートは通常、次の密度まで圧縮されます。 1.0 ～ 1.3 g/cm3 、密度が高くなると面内の導電性が向上しますが、プレートが MEA 表面の凹凸に適合できるようにする圧縮性が低下します。

フレキシブルグラファイトバイポーラプレート市場：規模、成長、および推進要因

世界のバイポーラプレート市場は約 2023年に12億～15億ドル そして、年間複合成長率 (CAGR) で成長すると予測されています。 18～24% 2030 年までは、主に輸送、定置電力、および電気分解による水素生産における PEM 燃料電池の導入の拡大によって推進されます。この広範な市場の中で、フレキシブルグラファイトバイポーラプレートは定置電源およびバックアップ電源セグメントで大きなシェアを占めており、耐食性、製造の簡素化、高価な表面コーティングがないため、金属製の代替品に比べてコスト面での優位性が得られます。

主要な市場推進要因

• 水素経済の拡大 — EU (REPowerEU)、米国 (インフレ抑制法による水素生産税額控除)、日本、韓国、中国にわたる政府の水素戦略により、5 年前には商業的に限界だった規模で燃料電池の導入が推進されています。設置された PEM 容量のメガワットごとに、数百から数千のバイポーラ プレートが必要です。
• 電解槽のスケールアップ — グリーン水素製造用の PEM 電解装置は、燃料電池と同様の材料要件を持つバイポーラ プレートを使用しますが、動作条件は異なります (高電圧、アノードでの酸素発生)。電解槽市場は、一部の予測では燃料電池市場よりも急速に成長しており、グラファイトプレート材料に対する並行需要も生み出しています。
• フローバッテリー搭載 — バナジウム レドックス フロー バッテリー (VRFB) およびその他のフロー化学システムでは、バイポーラ プレートを使用して電解質コンパートメントを分離します。柔軟なグラファイトはバナジウム電解質（強酸性で酸化性）に対する耐性があるため、再生可能発電と組み合わせた長期保存用途に適した材料となっています。
• 金属板に対するコストダウンの圧力 — 自動車スタックでは打ち抜き金属板が主流を占めていますが、白金族金属または金ベースの腐食コーティングの要件によりコストが増加し、メーカーはその削減に取り組んでいます。これにより、スタックの電力密度がそれほど重要ではない非自動車分野におけるグラファイトベースの代替品の評価が継続的に行われます。

地域の景観

アジア太平洋地域 中国、日本、韓国が主導し、垂直統合された燃料電池サプライチェーンに支えられ、現在のバイポーラプレート生産能力で最大のシェアを占めています。中国だけが以上の国家目標を設定している 水素燃料電池自動車 50,000台 2025 年までに、バイポーラ プレートとバッテリー負極の両方の国内黒鉛材料加工に多額の投資を行っています。 ヨーロッパ は、設置された電解槽の容量で最も急速に成長している市場であり、欧州クリーン水素アライアンスのようなプロジェクトにより需要が加速しています。 北アメリカ は、主に定置電力、重量輸送 (Hyzon、Nikola、プラグ パワー)、および防衛アプリケーションを通じて拡張しています。

フレキシブルグラファイトおよびグラファイト複合バイポーラプレートセグメントに積極的に取り組んでいる主要な業界参加者には、SGL Carbon、Toray Industries、Dana Incorporated、Schunk Carbon、Mersen、および GrafTech International が含まれます。これらの企業のいくつかは材料生産者であると同時にプレート製造者でもあり、生産量の拡大に応じて垂直統合の利点をもたらします。

技術的な課題と開発の方向性

市場の勢いが強いにもかかわらず、フレキシブルグラファイトバイポーラプレートは、現在の研究開発の優先事項を形作るいくつかの技術的および商業的課題に直面しています。

• 薄い厚みでのガス透過性 — 設計者がスタックの体積を減らすためにプレートの厚さを 1 mm 以下に押し上げると、グラファイト シートを通過する水素のクロスオーバーが信頼性の懸念事項になります。樹脂の含浸または薄いバリアコーティングは透過性を軽減できますが、ポリマー相が再導入され、材料の化学的安定性の利点が損なわれます。
• 機械的脆弱性 — 柔軟なグラファイトシートは面内方向に脆く、繰り返しの熱サイクルや組み立ての誤った取り扱いにより剥離しやすくなります。導電性を犠牲にすることなく取り扱い性を向上させるために、薄い柔軟なグラファイトをカーボンファイバーまたはポリマーの裏地に接着した複合ラミネートが開発されています。
• 面貫通導電率の向上 — 商業的に実行可能な圧縮密度で 100 S/cm を超える面内導電率を達成することは、依然として活物質科学の課題です。配向グラファイトナノプレートレットの添加と熱処理プロトコルは、研究中のアプローチの一つです。
• 製造歩留まりのスケーリング — 圧縮成形による流れ場チャネルの形成は、実験室環境では許容可能な歩留まりをもたらしますが、大量生産全体にわたって±0.05 mmの寸法公差を維持するには、現在の生産規模ではコストが増加する精密な工具とプロセス制御が必要です。

米国エネルギー省のバイポーラ プレートの技術目標は、面内電気抵抗率の目標を次のように設定しています。 10mΩ・cm2以下 1 μA/cm2 未満の腐食電流密度は、柔軟なグラファイトが本質的に腐食に関して満たす基準ですが、密度と抵抗率の表面処理を慎重に最適化した場合にのみ近づきます。この両方を 1 mm 未満のプレートで大規模に同時に満たすことが、この分野の今後 5 年間のエンジニアリングの中心的な課題となります。

フローバッテリーおよび電解槽のバイポーラプレート

PEM 燃料電池はバイポーラ プレートの注目を集めていますが、このコンポーネントは、独自の実質的な市場成長軌道を持つ 2 つの隣接する電気化学技術において同様に重要な役割を果たしています。

バナジウムレドックスフロー電池

VRFB では、バイポーラ プレートが正と負の半電池を分離し、商用エネルギー貯蔵において最も化学的に攻撃的な電解質の 1 つである硫酸中の五酸化バナジウムへの継続的な曝露に耐える必要があります。ここでは、柔軟なグラファイトとカーボンポリマー複合材料の両方が良好なパフォーマンスを発揮しますが、バナジウムが酸化分解する可能性のあるポリマー相が存在しないため、柔軟なグラファイトが好まれています。グリッドスケールの長時間エネルギー貯蔵 (4 ～ 12 時間の放電) のための VRFB の導入は、増大するバイポーラ プレートの需要の流れを表しています。 水素経済とはほとんど独立している 、グラファイトプレート生産者に市場の多様化を提供します。

PEM電解装置

PEM 電解槽は、電圧を印加すると水を水素と酸素に分解し、燃料電池よりも高い電流密度 (2 ～ 3 A/cm²) と高いアノード電位で動作します。アノードでの酸素発生環境は非常に酸化性が高いため、アノード側にはほとんどのグラファイトベースのプレートが使用されなくなり、プラチナまたはイリジウムコーティングを施したチタンが現在標準となっています。ただし、カソード側 (水素の発生) はより安全であり、一部の設計ではカソード側の用途にグラファイトベースのプレートが使用されます。電解槽メーカーがコスト削減を求める中、陰極側グラファイトプレートは、特に単位面積当たりの材料費が多額となるメガワット規模の設備にとって、生きた商業機会となります。