אופטימיזציה של יעילות תאי דלק עם חומרי סגסוגת מגולגלים במדויק

ככל שמדינות ותעשיות נותנות עדיפות לצמצום פליטת גזי חממה ושוקי הדלק המאובנים נותרים תנודתיים, תאי הדלק הופכים לחלופה פופולרית יותר ויותר למנועי בעירה לייצור חשמל נקי.

בשנת 2020, שוק תאי הדלק העולמי הוערך בכמעט 4 מיליארד דולר, ופרויקטי מחקר הוא יגיע ל-32 מיליארד דולר עד 2030. מגזרי התחבורה והחשמל היו מאמצים מוקדמים של תאי דלק וצפויים להניע אחוז צמיחה משמעותי. זה כולל יצרניות רכב גדולות כמו טויוטה ויונדאי, שיש להן מכוניות המונעות בתאי דלק בשוק. אחרים, כולל GM, משקיעים במערכות תאי דלק שיכולות להטעין כלי רכב חשמליים במלואם.

בהשוואה למכוניות קונבנציונליות עם כוח בעירה, היתרונות של רכבי תאי דלק כוללים יעילות מוגברת ואפס מזהמים או פליטת גזי חממה תוך התפארות בטווח נסיעה ארוך יותר מכלי רכב חשמליים.

בתחום החשמל, תאי דלק מספקים אנרגיה למבני תעשייה, מסחר ומגורים, כמו גם אגירת אנרגיה לרשת במערכות הפיכות לטווח ארוך.

ככל שהביקוש לטכנולוגיה חדשנית זו יגדל, כך יגדל הדרישה לחומרים מתקדמים המאפשרים לתאי דלק להגיע לביצועי שיא.

מה הם תאי דלק?

תא דלק הוא תא אלקטרוכימי המייצר חשמל באמצעות דלק כימי בלבד וחומר מחמצן. תאי דלק המשתמשים במימן כדלק כימי הם נטולי פחמן לחלוטין, ותוצרי הלוואי היחידים שלהם הם חשמל, חום ומים.

תאי דלק משתנים באופן משמעותי בגודלם ובטכנולוגיות המיושמות בהתאם ליישום הסופי. חלק מתאי הדלק הם קטנים יותר, כמעט דמויי סוללה, ומשמשים להפעלת מלגזות מחסנים. אחרים הם מגדלים גדולים שיכולים להחליף מקורות אנרגיה קיימים ולעזור לספק חשמל (או ייצור חשמל גיבוי) למתקן שלם.

כיצד תאי דלק מייצרים חשמל?

תא דלק הוא בעיקר שני לוחות דו-קוטביים (אנודה וקתודה) המופרדים על ידי זרז וחומר אלקטרוליט.

בתא דלק מימן, גז מימן מוזרם ללוח האנודה הטעון שלילי, בעוד צלחת הקתודה החיובית מלאה בחמצן.

המימן באנודה רוצה להגיב עם החמצן שבקתודה כדי ליצור מים, אבל הוא לא יכול להגיע לצד השני של תא הדלק בגלל האלקטרוליט; חומרים אלקטרוליטים מכניסים רק יונים טעונים חיובית (אטומי מימן הם ניטרליים עם פרוטון אחד ואלקטרון אחד).

כאן נכנס הזרז. הזרז מפצל את אטומי המימן, ומפריד את האלקטרונים מהפרוטונים. הפרוטונים יכולים כעת לעבור דרך האלקטרוליט, ולהשאיר את האלקטרונים מאחור.

חוט מחובר כדי לאפשר לאלקטרונים לזרום ולהגיב עם הפרוטונים. ברגע שהאלקטרונים עוברים דרך החוט, הם יוצרים מים שמתנקזים מהמערכת.

חשמל פשוט מניע אלקטרונים, אז יש לנו עכשיו זרם חשמלי בחוט הזה שיכול להניע כלי רכב, מתקנים או אפילו לוויינים.

תאי דלק ימשיכו לייצר חשמל כל עוד יש אספקה של דלק (במקרה זה מימן) וחמצן.

באילו חומרים משתמשים לייצור תאי דלק?
כאמור, טכנולוגיות תאי דלק יכולות להשתנות באופן משמעותי על בסיס היישום הנדרש ותפוקת ההספק. כלל אצבע בסיסי הוא ככל שדרוש יותר כוח, כך תא הדלק חייב להיות גדול יותר.

עבור מאמר זה, הבה נתמקד בתאי דלק של קרום אלקטרוליט פולימרי (PEM), סוג תאי דלק פופולרי להפעלת כלי רכב.

שני החלקים העיקריים של תא דלק PEM הם מכלול האלקטרודות הממברנה (MEA) והחומרה שסביבו.

ה-MEA כולל את קרום האלקטרוליט, שכבות הזרז ושכבות דיפוזיית הגז, שם מתרחשות התגובות הכימיות היוצרות חשמל.

חומרים המשמשים ב-MEA כוללים פולימרים, יונומרים, אבקת פלטינה (כזרז), ונייר פחמן מצופה (לפיזור גז ולמנוע הצטברות מים מהירה).

החומרה סביב MEA כוללת את הלוחות והאטמים הדו-קוטביים. כל MEA בודד מייצר פחות מ-1 V, כך שהם בדרך כלל מוערמים כדי להגיע למתח הנדרש, כאשר כל תא מופרד על ידי לוחות דו-קוטביים ואטמים כדי ליצור אטימה הדוקה.

לוחות דו-קוטביים אלו הם הרכיב הנפוץ ביותר בתאי הדלק המיוצרים עם סגסוגות מדויקות של Ulbrich, אך אנו מספקים גם חלקי מתכת מגוונים אחרים.

מהם מאפייני החומר העיקריים הדרושים כדי לייעל יישומי תאי דלק?

תאי הדלק מתחממים מאוד במהלך הפעולה, והסביבה שלהם קורוזיבית מאוד. העמידות של חומרים בתנאים מאתגרים אלה היא המפתח לשוק זה.

לכן, סגסוגות נירוסטה אוסטניטיות, המכילות לפחות 8% ניקל והן עמידות בפני קורוזיה וטמפרטורות גבוהות, משמשות לעתים קרובות ביישומי תאי דלק. עיבוד משני על ידי יצרני חלקים אופייני להקניית חלקי תאי דלק מסגסוגת בעלי עמידות גבוהה יותר בפני קורוזיה.

מתכות מיוחדות עמידות בפני קורוזיה וטמפרטורות כמו ניקל 200 ו-201 משמשות בדרך כלל גם בעיצובי תאי דלק.

סגסוגות:

• 310
• 316L
• Ni 200
• NI 201

עובי סגסוגת הוא מרכיב קריטי נוסף. ככל שהלוחות הדו-קוטביים דקים יותר, כך ניתן לערום יותר ממברנות תאי דלק יוצרות חשמל, מה שיוצר מערכת יעילה יותר שיכולה לענות על צורכי מתח גבוהים יותר.

מכיוון שלוחות הסגסוגת הללו מוערמים, סובלנות (ושטוחות) הדוקים הם קריטיים כדי להבטיח שהמערכת פועלת בביצועים שיא. חוסר העקביות הקל ביותר מוגדל באופן אקספוננציאלי עם כל ערימה, ואם אתה לא מדויק, ערימת תאי הדלק יכולה להיראות כמו המגדל הנטוי של פיזה. סובלנות הדוקה הן קריטיות גם עבור העיבוד המשני שנעשה על ידי יצרני חלקי תאי דלק.

לבסוף, ניתנת שיקול זהיר כיצד גימורי שטח ספציפיים ישפיעו על היעילות והאמינות של תא הדלק – יישומים שונים וטכנולוגיות שונות של תאי דלק דורשים גימורי לוחות דו-קוטביים שונים.

גימורי השטח המשמעותיים שיכולים להיות על עמידות בפני קורוזיה בלבד מדגישים את החשיבות של רכישת חומר תאי דלק מספקים בעלי יכולות בקרה מתקדמות על פני השטח.

מגלגלים חוזרים מדויקים מציעים הרבה יותר שליטה על גימורי פני השטח מאשר במקור ישירות מטחנת התכה. לדוגמה, Ulbrich עובדת עם רבים מלקוחותינו כדי לספק סוגים רבים של גימורים מיוחדים, מותאמים אישית וספציפיים ליישום ולתהליך.

נמדד בדרך כלל ב-RA, RY ו-RZ (בוחנים היבטים שונים של הפסגות והעמקים של משטח), דיוק חיוני כדי לשמור על עקביות של מספרים אלה לאורך ורוחב החומר. זה מביא לגימור משטח אחיד ועקבי שיוצר ביצועים צפויים עבור מהנדסים ויצרני תאי דלק.

בעוד שכל יישום דלק שונה, יש לקחת בחשבון שיקולים שונים עבור כל סגסוגת. המזג, הגימור והמד של כל הסגסוגות המשמשות יכולים להשפיע על פיזור גז, מוליכות חשמלית, אריכות ימים וגורמי ביצועים מרכזיים אחרים.

מה עלי לחפש בבחירת ספק חומרי תאי דלק?

יכולת וזמינות חיוניות בשוק תאי הדלק.

יישומי תאי דלק יכולים להיות שונים בתכלית, אז חפש גלגלת מחדש מדויקת עם היכולות הטכניות והמומחיות המטלורגית כדי להתאים את פתרונות הסגסוגת שלהם לצרכים הספציפיים של היישום שלך. במידת הצורך, הם צריכים להיות מצוידים לסייע לצוות הטכני שלך במחקר ופיתוח, כאשר מאפיינים ומשתני חומרים שונים נבדקים.

בכל הנוגע לזמינות, בחירה בספק חומרים המציע מבחר רחב של סגסוגות זמינות תסייע גם להבטיח שאתה משתמש בדרגה אופטימלית עבור היישום שלך.

ב-Be–Cu.com, שיתוף פעולה טכני עם המטלורגים וצוות פיתוח המוצר שלנו הוא מה שמגדיר את הלקוחות שלנו להצלחה. לאחר שנקבעו מאפייני החומר האופטימליים, בקרת הסובלנות ההדוקה שלנו, מגוון רחב של גימורים, מבחר סגסוגות עצום ותהליכי ייצור יעילים מאפשרים לנו לייצר באופן עקבי מוצר בנוי בהתאמה אישית לצרכים המדויקים של כל יישום אחר של תאי דלק.

מוקדי ההפצה של מרכז השירותים שלנו מאפשרים לנו להגביר את יכולות הגלגול מחדש המדויקות שלנו ולספק ללקוחות תאי הדלק שלנו אספקה עקבית של חומרים, כולל מוצרים ברוחב רחב ומוצרים קלים מהמיקום שלנו ב-Be-Cu בקליפורניה.

אם אתה יצרן תאי דלק או יצרן חלקים, צור איתנו קשר כדי ללמוד כיצד המומחיות המתקדמת שלנו לחומרי דלק ויכולות הייצור יכולות לקדם את היישום שלך.