Fabrication rentable de plaques bipolaires pour les électrolyseurs PEM et SOEC

Qu'est-ce qu'un électrolyseur ?

Les électrolyseurs utilisent l'énergie électrique provenant de sources éoliennes, solaires ou hydroélectriques pour décomposer l'eau en hydrogène et en oxygène. L'hydrogène vert ainsi produit peut être utilisé pour alimenter des cars, des voitures, des générateurs, des systèmes de chauffage et des machines.

De nombreux systèmes d'électrolyse modernes sont constitués de modules (« piles ») basés sur la technologie d'électrolyse à membrane échangeuse de protons (PEM) ou à oxyde solide (SOFC). L'un des composants essentiels de l'électrolyseur PEM est la plaque bipolaire, qui remplit plusieurs fonctions importantes.

Qu'est-ce qu'une plaque bipolaire ?

Les plaques bipolaires comportent des canaux complexes, fabriqués avec précision, qui distribuent l'eau de manière uniforme dans la pile de l'électrolyseur. Leur fonction principale est de refroidir l'électrolyseur, de fournir des gaz réactifs aux faces anodiques et d'évacuer l'hydrogène et les gaz produits lors de la réaction.

Les plaques bipolaires sont l'un des composants les plus importants des électrolyseurs, mais elles sont également l'un des plus coûteux. La découpe photochimique offre une alternative de fabrication viable pour les ingénieurs en conception mécanique qui cherchent à réduire ces coûts.

Repenser la production bipolaire des électrolyseurs

Pour les électrolyseurs PEM et SOFC, les plaques bipolaires en carbone ou en composites de carbone sont traditionnellement utilisées en raison de leur résistance chimique. Si les composites carbone-carbone et carbone-polymère présentent des propriétés avantageuses, ils ont une faible résistance mécanique et une faible conductivité électrique, sans parler des coûts d'usinage élevés.

L'utilisation de métaux pour les plaques bipolaires est généralement privilégiée en raison de leur faible coût, de leur faible résistance et de leurs bonnes propriétés mécaniques. Cependant, ils doivent résister aux conditions de fonctionnement requises pour la production d'hydrogène.

L'un des moyens les plus simples pour les ingénieurs d'augmenter la marge des électrolyseurs est de revoir les processus de fabrication des composants qu'ils contiennent, tels que la plaque bipolaire.

La découpe photochimique est probablement le plus polyvalent de tous les procédés d'usinage de la tôle. Sa nature soustractive signifie que pratiquement tous les métaux peuvent être découpés. Par conséquent, les métaux spécialisés résistants à la corrosion, comme le titane, peuvent être usinés de manière plus rentable que les procédés concurrents.

Qu'est-ce que la découpe photochimique ?

La découpe photochimique est un procédé d'usinage soustractif de la tôle qui utilise des agents de découpe pour créer des composants de précision complexes et très précis à partir de presque n'importe quel métal. Il s'agit d'un processus alternatif à l'emboutissage traditionnel et à la découpe au laser.

La complexité géométrique et les tolérances offertes par la découpe photochimique en font non seulement un processus de fabrication souhaitable, mais aussi, dans certains cas, la seule technologie adaptée aux composants métalliques essentiels à la mission ou à la sécurité.

Comment augmenter la production de plaques bipolaires pour les électrolyseurs ?

La découpe photochimique offre aux fabricants d'énormes avantages pour la production de composants fluidiques complexes tels que les plaques bipolaires. Le processus réduit les inefficacités tout en maintenant la précision et en réduisant les délais de mise sur le marché.

L'outillage d'emboutissage et d'hydroformage peut être lent et peu rentable à produire, prenant souvent plusieurs mois, ce qui allonge les délais de développement. En outre, le prototypage de configurations de canaux complexes à l'aide des méthodes traditionnelles peut coûter des dizaines, voire des centaines de milliers de livres.

La différence importante entre l'usinage traditionnel et la découpe photochimique réside dans le fait qu'aucun outil dur n'est nécessaire. Il s'agit plutôt d'un outillage numérique, peu coûteux à produire et à adapter, qui offre une plus grande souplesse pour optimiser les conceptions à un coût minimal. Les prototypes à découpe photochimique peuvent être créés rapidement et facilement pour des centaines de livres sterling plutôt que pour des milliers. Il est également possible de réduire encore les coûts en augmentant la densité des caractéristiques des canaux et en fabriquant des plaques bipolaires plus minces.

Problèmes actuels de fabrication des plaques bipolaires

La géométrie et la conception des canaux d'écoulement dans une plaque bipolaire ont un effet considérable sur ses performances.

La complexité de la profondeur des canaux est limitée par les méthodes de coupe conventionnelles telles que l'emboutissage et l'hydroformage. Les plaques bipolaires hydroformées sont susceptibles de se rompre en raison de l'amincissement des tôles au cours du processus de formage. Des conceptions plus complexes peuvent donc s'avérer difficiles.

L'emboutissage présente des difficultés de conception au cours du processus de fabrication. Il peut également être difficile à reproduire avec précision en raison des plis, de la rugosité de la surface et du retour élastique du matériau. Des canaux d'écoulement plus petits et plus complexes nécessitent un tonnage d'emboutissage plus important, ce qui entraîne une augmentation substantielle du coût d'investissement de la machine et de la durée du cycle.

La découpe photochimique permet une complexité presque illimitée des pièces. Chaque composant doit impérativement être exempt de bavures et de contraintes, être parfaitement plat et présenter une extrême homogénéité. Ceci est important pour les plaques bipolaires, car les imperfections peuvent compromettre le collage de l'empilement. Contrairement à l'usinage CNC, à l'hydroformage et à l'emboutissage, le processus de découpe photochimique n'applique aucune contrainte mécanique ou thermique susceptible d'affecter les propriétés du métal et permet d'obtenir une précision de canal de ± 0,020 mm.

La découpe chimique enlève le métal simultanément, ce qui signifie que des canaux ou des champs d'écoulement complexes peuvent être découpés des deux côtés de la plaque. Cette polyvalence permet aux concepteurs de varier la taille et la forme des canaux et d'incorporer des collecteurs et des orifices sans coût supplémentaire.

La découpe chimique : une alternative viable pour la fabrication d'électrolyseurs

Des centaines d'articles de recherche explorent l'efficacité, la qualité et les limites financières de la production de plaques bipolaires. Cependant, la plupart des articles ne considèrent pas la découpe photochimique comme un processus viable. La seule façon pour l'industrie de répondre à la demande croissante de production d'hydrogène est de sortir du cadre des processus d'usinage et de prototypage coûteux.

La découpe photochimique permet aux ingénieurs concepteurs de produire des plaques bipolaires dans des délais qui se mesurent en jours et non en mois, tout en offrant la souplesse nécessaire pour créer des plaques bipolaires complexes et performantes.

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