Bipolarplatten sind leitfähige Trennwände, die die einzelnen Zellen eines Brennstoffzellenstapels miteinander verbinden. Jede Platte verfügt über Strömungskanäle, die den Fluss von Wasserstoff und Sauerstoff zu den Katalysatorreaktionsstellen steuern und Wasser sowie Wärme aus der Brennstoffzelle abführen. Brennstoffzellenstapel können bis zu Hunderte von Bipolarplatten enthalten, typischerweise zwischen 200 und 400. Die Bauweise der Bipolarplatten bestimmt auch die gesamte Gasverteilung im Stapel und beeinflusst dessen Leistung. Letztendlich kommt es bei Bipolarplatten auf ihre Funktionalität an: Sie müssen Strom durch die aktive Fläche leiten und gleichzeitig die Gase voneinander trennen.
Was ist eine Bipolarplatte?
Wie der Name „bi“ schon andeutet, bipolare Platte Sie dient als Trägerplatte oder Substrat für die beiden Pole der Brennstoffzelle. Ein Ende ist mit der Anode verbunden, das andere mit der Kathode der benachbarten Zelle.
- Zweiseitige Funktionalität: Im Grunde genommen beruht eine Bipolarplatte auf diesem dualen Verbindungssystem.
- Strukturelle Komponente: Bipolare Platten bieten der gesamten Brennstoffzellenanordnung mechanische Stabilität.
- Strömungskanaldesign: Jede Bipolarplatte enthält bearbeitete Rippen oder Nuten, die einen Verteilungskanal für Gas bilden.
Die Bauart der Bipolarplatte bestimmt, wie effizient dieser Elektronentransfer erfolgt.
Physikalische Struktur
Bipolare Graphitplatten weisen typischerweise Dicken zwischen 1 und 3 mm auf. Ihre Oberflächen enthalten Strömungsfeldmuster, die in das Material eingeätzt oder eingegossen sind. Diese Muster leiten Wasserstoff und Sauerstoff zu den Reaktionsstellen.
Funktion der bipolaren Platte
Sie erfüllen vielfältige Funktionen: Sie leiten die Gase in und durch die aktiven Schichten, trennen die Zellen, transportieren den erzeugten elektrischen Strom, leiten überschüssiges Wasser ab und halten den Feuchtigkeitsgehalt der Zelle im Gleichgewicht. Jede dieser Funktionen tritt während des Betriebs gleichzeitig auf.
Hauptrollen
- Gasverteilung: Bipolare Platten leiten Wasserstoff zu den Anoden und Sauerstoff zu den Kathoden mithilfe von Strömungsfeldmustern.
- Elektrische Leitfähigkeit: Die Bipolarplatte bildet den Weg für Elektronen von Zelle zu Zelle.
- Strukturelle Unterstützung: Bipolarplatten bilden die mechanische Struktur, die den Stapel zusammenhält.
Nebenrollen
Die Bipolarplattenkonstruktion dient auch der Wasserregulierung. Im Inneren des Brennstoffzellenstapels fließt Wasserstoff zur Anodenseite, Sauerstoff wird zur Kathodenseite transportiert, und Wasser entsteht als einziges Nebenprodukt der Reaktion. Eine der Hauptaufgaben der Bipolarplatte ist die Wasserentfernung, um ein Überfluten der Brennstoffzelle und damit eine Beeinträchtigung ihrer Leistung zu verhindern.
Wärmemanagement
Technisch gesehen erfüllen die Platten also gleichzeitig drei Funktionen: Gasversorgung, Kühlung und elektrische Verbindung in der Brennstoffzelle. Kühlkanäle dienen dazu, eine Überhitzung bei Hochleistungsbetrieb zu verhindern.
Zelltrennung
Man kann sich die Bipolarplatte als Trennelement zwischen den einzelnen Zellen vorstellen. Sie kombiniert und trennt einzelne Brennstoffzellen in Reihe, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
Gängige Materialien für Bipolarplatten
Die beiden am häufigsten verwendeten Materialien für Bipolarplatten sind Kohlenstoff und Metall. Jedes Material bietet je nach Anwendung spezifische Vorteile.
Metallindustrie
Metallische Bipolarplatten dominieren den Markt für Pkw, da für diese Anwendung die Stapelform und die Energiedichte von entscheidender Bedeutung sind.
- Rostfreier Stahl: die kostengünstigste Option für metallische Bipolarplatten.
- Aluminium: Edelstahl, Aluminium und Titan sind leichtere Alternativen.
- Titan: die leistungsstärkste Metalloption
Im Vergleich zu Graphitplatten bieten metallische Bipolarplatten eine höhere mechanische Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Metallische Bipolarplatten können dünner gefertigt werden als Graphit-Bipolarplatten.
Graphite
Bei Hochleistungsanwendungen von PEM-Brennstoffzellen, beispielsweise in Lkw, Zügen und Schiffen, sind Bauform und Energiedichte des Brennstoffzellenstapels nicht die primären Kriterien; vielmehr sind die Kosten der Platten entscheidend. Zu den weiteren verwendeten Materialien zählen Edelstahl, Titan oder verschiedene spezielle Legierungen.
Composite
Polymerverbundwerkstoffe haben sich als vielversprechende Alternative zu Graphit- und metallischen Bipolarplatten erwiesen. Dies ist auf ihre Kosteneffizienz, gute Korrosionsbeständigkeit, ihr geringes Gewicht und ihre Flexibilität zurückzuführen.
Vorteile der bipolaren Platte
- Wärmeabfuhr: Bipolarplatten helfen, die Wärme der elektrochemischen Reaktionen abzuführen, um eine Überhitzung zu begrenzen und das System auf einer sicheren Temperatur zu halten.
- Leistungsdichte: Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle, ihre Leistungsdichte, ihre Energiedichte unter Berücksichtigung der Wasser- und Wärmeabfuhr, ist eine Funktion der Leistung von BP während des Betriebs.
- Stapeleffizienz: Im Inneren des Stapels fließt Wasserstoff zur Anodenseite der Zelle, Sauerstoff wird zur Kathodenseite der Zelle transportiert, und Wasser entsteht als einziges Nebenprodukt der Reaktion.
- Dauerbetrieb: Richtig konstruierte Bipolarplatten entkoppeln Brennstoffzellen von thermischen Problemen oder Problemen mit Wasseransammlungen, die die Leistung beeinträchtigen können.
Anwendungen von Bipolarplatten
Bipolarplatten sind grundlegend für die Weiterentwicklung sauberer Energietechnologien und finden darüber hinaus branchenübergreifend Anwendung. Hier einige Anwendungsbeispiele für Bipolarplatten:
Transport
Bipolarplatten werden in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen und Systemen (Autos, Schulbussen, Zügen usw.) eingesetzt. Für diese Anwendungen müssen die Platten folgende Eigenschaften aufweisen:
- Leichtbauweise, um die Einsatzreichweite zu maximieren
- Robust, für den Dauerbetrieb geeignet
- Zuverlässig, um die mechanischen Anforderungen von PEM-Brennstoffzellen zu erfüllen
- Das bipolare Material der PEM-Brennstoffzelle trägt zur Erhöhung der Reichweite bei.
Industrielle Wasserstoffproduktion
Elektrolyseure und andere Geräte, die Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff oxidieren, verwenden Platten, die auch unter rauen Umgebungsbedingungen beständig sind. Zu den Kriterien für Platten dieser Kategorie gehören:
- Beständigkeit gegen Korrosion in sauren und alkalischen Umgebungen
- Lange Lebensdauer unter dauerhaft hohen Belastungen
- Konstantbetrieb bei der Wasserstoffproduktion im großen Maßstab
Stationäre Stromversorgung
Medizinische Einrichtungen und Dateninstitutionen (z. B. Krankenhäuser, Rechenzentren und Produktionsstätten) nutzen stationäre Brennstoffzellen wie PEMFCs als Backup- oder mitunter primäre Stromquelle. In diesem Bereich sollten Bipolarplatten folgende Eigenschaften aufweisen:
- Zuverlässigkeit im Betrieb über längere Zeiträume
- Stabile Konstruktion für längere Laufzeiten
- Kompatibilität mit ungewöhnlichen Materialien und Polymerverbindungen für Hybridsysteme
- Neue Speichertechnologien und Anwendungen
Forschungsarbeiten befassen sich mit dem Einsatz von Bipolarplatten in Redox-Flow-Batterien und anderen Speichertechnologien und zeigen damit, dass Bipolarplatten über Brennstoffzellen hinaus vielseitig einsetzbar sind.
Bipolarplatten sind keine Nischenprodukte. Bipolarplatten sind Kernkomponenten, die für den Fortschritt in den Bereichen Transport, erneuerbare Energien und sichere Stromversorgung unerlässlich sind.
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Häufig gestellte Fragen zu bipolaren Platten
Welches Material eignet sich am besten für Bipolarplatten?
Das beste Material für Bipolarplatten hängt vom Anwendungsbereich ab. Metallplatten eignen sich am besten für Fahrzeuge, bei denen Platz und Gewicht eine wichtige Rolle spielen. Graphit ist ein besseres Material, um bei Schwerlastanwendungen wie Lkw die Kosten niedrig zu halten.
Welches Herstellungsverfahren eignet sich am besten für Verbundplatten?
Zwei Herstellungsverfahren sind das Formpressen und das Spritzgießen. Beide Verfahren sind kostengünstig und gewährleisten die Flexibilität der Platten sowie ein geringeres Risiko von Rost- und Korrosionsschäden.
Wie beeinflussen Bipolarplatten die Brennstoffzelleneffizienz?
Bipolarplatten steuern die Effizienz Ihrer Brennstoffzelle, indem sie Wärme und Wasser von den Platten abführen. Je besser die Bipolarplatten, desto mehr Leistung können Sie erzeugen und desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Leistung der Brennstoffzelle beeinträchtigt wird.
Fazit
Bipolarplatten entscheiden über Erfolg oder Misserfolg von Brennstoffzellen in der Praxis. Ihre Konstruktion beeinflusst Leistung, Lebensdauer und Endkosten. Sie transportieren Reaktionsgase, leiten den Strom von der Membran-Elektroden-Einheit zu den Endplatten, sorgen für Wärme- und Wassermanagement und trennen die einzelnen Zellen physisch, um den Aufbau eines Stacks zu ermöglichen. Die Bipolarplatte in der Brennstoffzellentechnologie entwickelt sich mit der zunehmenden Verbreitung von Wasserstoffenergie stetig weiter. Kontakt TMNEtch Heute noch für maßgeschneiderte Bipolarplatten, die genau auf Ihre Spezifikationen und Leistungsanforderungen zugeschnitten sind.
