Bipolarplatten für Brennstoffzellen

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Was sind Bipolarplatten für Brennstoffzellen?

Bipolarplatten sind eine Schlüsselkomponente in einem Brennstoffzellenstacks. Sie bestehen aus Graphit oder Metall und trennen jede einzelne Zelle. Eine Bipolarplatte ist ein sehr flaches Bauteil mit filigranen Kanälen, die auf der Oberfläche der Platte aufgebracht sind. Bei den heutigen Stacks besteht eine Bipolarplatte aus zwei einzelnen Platten (Anode und Kathode), die fest miteinander verbunden sind. Wasserstoff verteilt sich im Stack auf der Anode, Sauerstoff und das Endprodukt Wasser auf der Kathode. Zwischen den verbundenen Einzelplatten wird ein Kühlmedium zur Temperierung der einzelnen Zellen geführt. Je dünner die Platten und je filigraner die Kanalstruktur, desto höher ist der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellenstapels. Die derzeit auf dem Markt erhältlichen Bipolarplatten für Brennstoffzellen sind zwischen 0,05 mm und 0,1 mm dick. Ein Brennstoffzellenstapel, der in Elektrolyseanlagen und Brennstoffzellen eingesetzt wird, besteht aus 400 bis 500 einzelnen Bipolarplatten. Es gibt viele verschiedene Technologien für die Herstellung von Bipolarplatten, je nach Material und Anwendung. Sie unterscheiden sich in Bezug auf die Zykluszeit, die Filigranität des Strömungsfeldes und die Kosten.

Was ist die Hauptfunktion der Brennstoffzellenplatten in einem Stack?

Wie der Begriff „bi“ schon sagt, dient die Bipolarplatte als die beiden Pole der Brennstoffzelle. Diese Pole sind die negativ geladene H2 tragende Anodenplatte und die positiv geladeneO2 tragende Kathodenplatte. Die Bipolarplatten geben dem Stack zum einen seine Struktur, zum anderen sind sie für die gleichmäßige Verteilung der Gase in der Zelle selbst verantwortlich. Darüber hinaus muss das Endprodukt Wasser über die Kanäle abgeführt werden. Die Bipolarplatten sind so konzipiert, dass sie den elektrischen Kontakt zum Stack herstellen. Außerdem ist die Platte für die Temperaturkontrolle der Zelle zuständig. Die Kühlung wird in der Regel durch mit Wasser oder Luft gefüllte Strömungskanäle erreicht. Nicht zuletzt verbinden die Bipolarplatten die einzelnen Zellen im Stack und trennen die MEA voneinander.

Bipolarplatten für Brennstoffzellen - 380 Platten von Cellform
Eine metallische -Bipolarplatte für Brennstoffzellen von Cellform

Welche Arten von Platten werden in Brennstoffzellenstapeln verwendet?

Es gibt verschiedene Arten von Bipolarplatten, die sich in Material und Form unterscheiden. Aufgrund geringer Effizienzgewinne und fehlender Produktionsmethoden für wettbewerbsfähige metallische Bipolarplatten dominierte in der Vergangenheit die Graphit-Bipolarplatte. Diese haben jedoch in technischen Anwendungen einen entscheidenden Nachteil hinsichtlich des volumetrischen und gravimetrischen Wirkungsgrades gegenüber der metallischen Bipolarplattenbauweise. Daher sind metallische Bipolarplatten für Brennstoffzellen aus Stahl auf dem Markt sehr gefragt. Aufgrund der korrosiven Eigenschaften des metallischen Materials werden metallische Bipolarplatten mit verschiedenen Substanzen wie Chromnitrid beschichtet. Diese werden häufig mit Hilfe eines thermochemischen Behandlungsverfahrens aufgebracht.

Welche Materialien werden für Bipolarplatten von Brennstoffzellen verwendet?

Die wichtigste Anforderung an das Material ist eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit, die während der Lebensdauer der Bauteile nicht wesentlich abnimmt. Die Trägermaterialien sind in der Regel entweder Graphit oder Metall. Es gibt eine große Auswahl an verschiedenen Trägermaterialien, die als metallische oder nichtmetallische Trägermaterialien kategorisiert werden. Metallsubstrate sind zum Beispiel aus Edelstahl, Titan oder Aluminium gefertigt. Die verschiedenen Materialien bieten unterschiedliche Eigenschaften und Vorteile für die Funktionalität der Platten. Je nach Anwendung sind bestimmte Materialien besser geeignet als andere.

Bitte sehen Sie sich auch das Lehrvideo über die bipolare Plattenformung an

Was sind die wichtigsten Leistungskriterien von Bipolarplatten?

Eine Bipolarplatte in Kombination mit dem MEA ist für die Effizienz des Stacks verantwortlich. Ein wesentliches Leistungsmerkmal ist die Effizienz des Stacks im Dauerbetrieb. Da die Bipolarplatte mehrere hundert Mal pro Stack installiert wird, besteht auch ein großer Bedarf an Bipolarplatten, die kostengünstig und schnell in einem Serienproduktionsprozess hergestellt werden können. Wie bereits erwähnt, ist der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellenstapels umso höher, je dünner die Platten und je filigraner die Kanalstruktur sind. Dies führt auch zu einem leichteren Bauteil, da weniger Material verwendet wird. Darüber hinaus ist die Haltbarkeit der Brennstoffzellenplatten von entscheidender Bedeutung für die weitere Entwicklung der Wasserstofftechnologie.

Wie sind Bipolarplatten aus Metall im Vergleich zu Bipolarplatten aus Kohlenstoff?

Bei den meisten aktuellen Anwendungen müssen Metallplatten beschichtet werden, um mehrere tausend Betriebsstunden im Stapel zu überstehen. Es gibt bereits eine große Anzahl von Lösungen, die ständig verbessert werden. Kohlenstoff-Brennstoffzellenplatten benötigen kein zusätzliches Beschichtungsmaterial. In Bezug auf Kosten, Gewicht und Volumen hat die Metallplatte jedoch einen großen Vorteil gegenüber der Kohlenstoffplatte. Mit steigender Stückzahl sinken die Preise für metallische Bipolarplatten deutlich stärker als für Kohlenstoff-Brennstoffzellenplatten. Skaleneffekte lassen sich leichter erzielen, wenn Metall als Material der Wahl für die Herstellung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen verwendet wird.

Brennstoffzellen-Bipolarplatten gestapelt
Metallische Bipolarplatten für Brennstoffzellen, gestapelt

Was sind die verschiedenen Gestaltungsprinzipien der Kanäle?

Die Konstruktionsprinzipien der Bipolarplattenkanäle sind noch nicht endgültig festgelegt. Sie werden kontinuierlich verbessert. Bei der Planung müssen jedoch bestimmte Parameter berücksichtigt werden. Die meisten Hersteller streben einen kleinen Kanalabstand, enge Radien und eine gleichmäßige Verteilung des Rohmaterials an. Dies führt zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad durch eine höhere Stromstärke und Gewichtseinsparungen. Zur Kühlung wird in modernen Brennstoffzellen-Bipolarplatten entweder Wasser oder Luft verwendet.

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Beitrag von Cellform

Cellform hat es sich zur Aufgabe gemacht, seinen Kunden metallische Bipolarplatten mit marktführenden Eigenschaften in Bezug auf (1) Effizienz und geometrische Grenzen und (2) geometrische Maßgenauigkeit zu liefern. Cellform ist in der Lage, Blechdicken in der Größenordnung von 0,05 mm mit einer hohen Genauigkeit zu bearbeiten, welche die Standards der meisten Branchen übertrifft. Durch spezielle Schweißtechniken wird eine einwandfreie Schweißqualität auch bei besonders dünnen Blechen gewährleistet. Dank hochentwickelter Automatisierungssysteme können mühelos hohe Produktionsmengen bewältigt und zu einem äußerst wettbewerbsfähigen Preis angeboten werden.

Letzte Aktualisierung: 07.07.2023

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