Vous êtes à l'examen de la construction de cellules pour une batterie à flux de vanadium de 30 kW. Le cadre est usiné et le lot de feutres d'électrodes mesure 4,1 à 5,0 mm sur 52 feuilles. La dernière variable est la plaque de champ d'écoulement : un composite de graphite flexible qui se déforme sous le serrage, ou une plaque rigide en carbone-polymère qui conserve sa géométrie. Un mauvais choix peut augmenter la résistance de contact de 18 % et maintenir la pile en dessous de la densité de courant nominale. La réponse dépend de la planéité du cadre, de la tolérance de l'épaisseur des électrodes et de la puissance de pompage que vous êtes prêt à dépenser.
Quelle est la différence mécanique entre les plaques de champ d'écoulement flexibles et rigides
Les deux types de plaques transportent le courant, distribuent l'électrolyte et soutiennent l'électrode contre la force du boulon. Ils diffèrent par leur module élastique et leur réponse aux variations d'épaisseur.
Une plaque de champ d'écoulement flexible est une feuille composite carbone-graphite conforme qui se déforme élastiquement sous compression de l'empilement pour s'adapter à la tolérance d'épaisseur de l'électrode. Une plaque de champ d'écoulement rigide est un composite moulé rigide qui maintient sa géométrie de canal sous la même charge.
Une plaque flexible est généralement construite à partir d’une feuille de graphite orientée avec un liant polymère. Son module élastique est de 8 à 15 GPa, il se comporte donc comme une feuille compressible. Une plaque rigide est moulée à partir d'une résine renforcée de fibres de carbone, avec un module élastique de 30 à 50 GPa. Il se comporte comme un élément de structure.
La conséquence pratique : les plaques flexibles tolèrent une variation d'épaisseur d'électrode de /-0,5 mm ; plaques rigides seulement environ /-0,1 mm. Mais les plaques rigides empêchent la section transversale de leur canal de se fermer sous compression. Cette seule différence détermine la plupart des compromis restants. Voir qu'est-ce qu'une plaque de canal à écoulement dur pour comprendre plus en détail la construction de la variante rigide.
Plaque de canal à écoulement dur Les plaques de carbone pur de haute dureté sont fabriquées par liaison de résine, pressage répété à haute pression, imprégnation et autres processus de coke d'asphalte et de co... Voir le produit → Résistance de contact et collecte de courant
Les plaques flexibles offrent une résistance de contact initiale plus faible pour le même couple ; les plaques rigides maintiennent la résistance de contact plus stable après un cycle thermique. La résistance de contact entre une plaque de carbone et un feutre de carbone dépend de la charge multipliée par la zone de contact. La plaque flexible répartit la charge des nervures sur davantage de brins de feutre.
Lors d'un test de pile de 0,4 m^2, une plaque flexible avec des nervures de 1,5 mm a atteint 28 mOhm-cm^2 à 9 N/cm^2. La plaque rigide avait besoin de nervures de 2,0 mm pour atteindre 32 mOhm-cm^2. Après 800 cycles thermiques de 20 à 55 C, la plaque rigide a conservé 95 % de sa résistance de contact d'origine ; la plaque flexible est tombée à 85%.
28 mOhm-cm^2 Résistance de contact initial de la plaque flexible à 9 N/cm^2
32 mOhm-cm^2 Résistance de contact initial de plaque rigide avec nervures de 2,0 mm
95 % contre 85 % Rétention des contacts après 800 cycles thermiques : rigide vs flexible
Hydraulique, chute de pression et géométrie des canaux
Les plaques rigides permettent des canaux plus profonds, ce qui réduit la chute de pression et la puissance de pompage. La profondeur du canal affecte la chute de pression avec le cube inverse dans un écoulement laminaire. Dans un canal serpentin de 1,5 mm de large et 600 mm de long, une augmentation de la profondeur de 1,0 à 1,5 mm réduit la chute de pression d'environ 70 %.
Dans un VRFB de 50 kW à 90 L/min, la réduction de la chute de pression de la cellule de 0,4 bar permet d'économiser environ 600 W de puissance de pompage, soit environ 1,2 % de la puissance de la pile. Les plaques flexibles sont limitées aux profils moins profonds car les canaux plus profonds réduisent la zone des nervures qui serre l'électrode. Ils s'infiltrent également dans le canal au fil du temps, ce qui réduit la profondeur effective. Les plaques rigides maintiennent la profondeur du canal pendant toute la durée de vie de la pile.
La géométrie de la plaque d'écoulement affecte la densité de puissance plus que ce à quoi la plupart des équipes s'attendent - lisez notre analyse sur comment la géométrie des plaques d'écoulement peut améliorer la densité de puissance du système .
Fiabilité de l'étanchéité : plaques flexibles ou rigides lors de l'assemblage
Les plaques rigides scellent de manière plus prévisible avec un cadre plat ; les plaques flexibles pardonnent mieux la déformation du cadre. Un cadre en plastique présente généralement un écart de planéité de 0,3 à 0,5 mm sur 600 mm. La plaque flexible suit cette déviation, de sorte que le joint se comprime de manière variable mais reste dans la plage. La plaque rigide ne suit pas, la surface du joint nécessite donc généralement un usinage ou une couche de joint souple supplémentaire.
La plaque rigide a une faiblesse différente : un serrage excessif de 20 % d'un boulon n'a presque aucun effet. La plaque flexible s'amincit localement au niveau de ce boulon, de sorte que la nervure située en dessous peut s'effondrer ou fermer un canal.
| Critère | Plaque de champ d'écoulement flexible | Plaque de champ d'écoulement rigide |
| Module élastique | 8-15 GPa | 30-50 GPa |
| Tolérance d'épaisseur | /-0,3mm | /-0,1mm |
| Serrage recommandé | 6-10 N/cm^2 | 10-14 N/cm^2 |
| Dureté du joint (Shore A) | 70-80 | 50-60 |
| Facteur de chute de pression | 1.0 | 0.7 |
| Rétention du cycle thermique | 85% après 800 cycles | 95% après 800 cycles |
Plaque de canal d'écoulement flexible Les plaques de carbone pur fabriquées à partir de graphite expansé sous haute pression peuvent être transformées en diverses structures de canaux d'écoulement par des machines de découpe, des machines de gravure... Voir le produit → Flexible ou rigide : lequel choisir pour votre pile ?
Choisissez flexible lorsque la planéité du cadre et l'épaisseur des électrodes varient ; choisissez le rigide lorsque vous avez besoin d'une densité de puissance élevée et d'un système hydraulique prévisible.
Sélectionnez une plaque flexible lorsque
- La surface des cellules est supérieure à 0,4 m^2 et le cadre est moulé par injection
- L'épaisseur du feutre de l'électrode varie de plus de /-0,3 mm
- Le trajet d'écoulement est court et la chute de pression n'est pas dominante
- Votre équipe de maintenance peut resserrer la pile après la formation
Sélectionnez une plaque rigide lorsque
- La densité de puissance cible est supérieure à 300 mW/cm^2
- Le chemin d'écoulement est long avec plusieurs virages en serpentin
- Vous utilisez des bords soudés ou une plaque métallique bipolaire
- La pile ne sera pas resserrée après la mise en service
Coût, outillage et chaîne d'approvisionnement : flexible ou rigide à grande échelle
Les plaques flexibles sont moins chères en petites quantités ; les plaques rigides gagnent au-delà de quelques milliers d'unités. Une plaque flexible est découpée dans une feuille laminée. Pour une cellule de 0,4 m^2, la matière première en feuille coûte environ 2,5 à 3,5 fois moins que le coût unitaire d'une plaque rigide moulée à 100 pièces, car la plaque rigide supporte l'amortissement de l'outillage. À 5 000 unités, la plaque moulée rigide devient moins chère à l'unité car le matériau est utilisé plus efficacement et le temps de cycle est court.
L'outillage pour une plaque rigide est généralement un moule de compression comportant plusieurs cavités. L'investissement initial dépend de la taille de la plaque, du nombre de canaux et de la planéité requise. Si votre conception change fréquemment, la production flexible de plaques à partir de feuilles vous donne plus de liberté pour itérer sans avoir à payer pour un nouveau moule.
Jiaxing Naco New Material Co., Ltd. produit à la fois des plaques de canal d'écoulement flexibles et des plaques de canal d'écoulement rigides, afin que vous puissiez évaluer les deux configurations par rapport à la même tolérance de production et au même contrôle qualité. Lorsque vous achetez l'une ou l'autre plaque, demandez au fournisseur la tolérance d'épaisseur sur la feuille brute ou le moulage, car cela détermine si vous avez besoin d'un feutre plus épais ou d'une compensation de joint supplémentaire.
Plaque bipolaire carbone-plastique renforcée en fibre de carbone Les plaques bipolaires en carbone de notre société sont les premières plaques bipolaires en graphite flexible renforcées par des fibres de carbone de l'industrie. Ils ne se cassent pas même lorsqu'ils sont pliés à 360°, w... Voir le produit → Une liste de contrôle de décision pour votre pile
Faites d'abord correspondre la plaque à la tolérance la plus faible de votre pile, puis à son chemin d'écoulement.
- Mesurez l’épaisseur du feutre de l’électrode sur l’ensemble du lot. Si l'étalement est supérieur à /-0,3 mm, commencer par une plaque flexible.
- Vérifier la planéité du cadre. Si elle dépasse 0,3 mm sur 600 mm, évitez une plaque rigide sauf si vous usinez la face du joint.
- Calculez la chute de pression du canal au débit cible. Si cela dépasse le budget de votre pompe, passez à une plaque rigide avec un canal plus profond.
- Estimez le nombre total d'unités et changez la fréquence en dessous de 2 000 unités. Le prototypage de plaques flexibles est plus rapide, mais l’outillage de plaques rigides est rentable à grande échelle.
- Testez la première pile avec les deux plaques. Mesurez la résistance de contact et le taux de fuite après 500 cycles thermiques avant d'approuver la conception.
Foire aux questions
Une plaque de champ d'écoulement flexible peut-elle être utilisée dans une batterie à flux redox au vanadium ?
Oui. La feuille composite flexible est chimiquement compatible avec l'électrolyte de vanadium lorsque le liant polymère est sélectionné correctement. Le principal risque est le fluage au fil du temps, alors planifiez un resserrage après les 50 à 200 premières heures de fonctionnement.
Comment se compare la résistance de contact entre les plaques flexibles et rigides ?
Les plaques flexibles présentent généralement une résistance de contact initiale plus faible car le matériau conforme est conforme au feutre. Les plaques rigides nécessitent des nervures plus larges pour atteindre des valeurs comparables, mais elles conservent mieux la résistance de contact lors des cycles thermiques.
Quel type de plaque a une durée de vie plus longue ?
Les plaques rigides durent généralement plus longtemps dans les empilements à haute température car elles résistent au fluage et à la déformation des canaux. Les plaques flexibles durent plus longtemps dans les applications avec des cadres inégaux, car elles tolèrent les écarts de planéité sans fuite.
Les plaques de champ d'écoulement nécessitent-elles un joint séparé ?
Oui. Les deux types nécessitent un joint entre la plaque et le cadre. La dureté du joint diffère : des joints plus souples (50 à 60 Shore A) sont associés à des plaques rigides, des joints plus durs (70 à 80 Shore A) sont associés à des plaques flexibles.
