I. Einleitung:
Mit der kontinuierlichen Entwicklung des globalen Transports steigt der Erdölverbrauch in den Ländern weltweit. Unter diesen Verbräuchen hat die großflächige Verbreitung von Verbrennungsmotoren zu schwerwiegenden atmosphärischen Verschmutzungen und zur Verschärfung des Treibhauseffekts geführt. Um dieses Problem zu lösen, haben die Vereinten Nationen, die Europäische Union und der IPCC einstimmig eines beschlossen: Wir müssen bis 2050 Klimaneutralität erreichen. Diese Entscheidung bedeutet, dass die Menge der Kohlendioxidemissionen mit der Menge des in der Atmosphäre absorbierten Kohlenstoffs im Gleichgewicht stehen muss. Daher müssen wir in weniger als 30 Jahren die Kohlendioxidemissionen reduzieren, um letztendlich die Klimaneutralität zu erreichen und die Erde zu schützen. Aber wie erreichen wir Klimaneutralität, und welchen Weg sollten wir einschlagen?
Um dieses Ziel zu erreichen, werden Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzellen als emissionsfreie saubere Energiequelle zweifellos die treibende Kraft für die Klimaneutralität sein. Die Bipolarplatte, als eine der Kernkomponenten der PEM-Brennstoffzelle, beeinflusst direkt die Nutzungseffizienz der Reaktionsgase sowie die Entwässerungs- und Wärmeableitungsleistung der Brennstoffzelle. Diese Arbeit sammelt und fasst relevante Daten zusammen und organisiert die sechs Grundfunktionen, die Bipolarplatten in Brennstoffzellen haben müssen:
Einzelne Zellen im Stapel trennen;
Sauerstoff und Wasserstoff transportieren;
Elektrische Verbindung herstellen und Strom leiten;
Nebenprodukte wie Wasser entfernen;
Reaktionswärme durch Kühlmittel ableiten;
Der Klemmkraft der Stapelanordnung standhalten.
Auf der Grundlage der oben genannten sechs Grundfunktionen muss das Design der Bipolarplatten die folgenden neun grundlegenden Anforderungen erfüllen:
Starke Korrosionsbeständigkeit;
Geringen Widerstand und ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit;
Gute Wärmeleitfähigkeit zur effektiven Temperaturkontrolle der Zelle;
Moderater Druckabfallverlust an Einlass und Auslass;
Einfache Verarbeitung und Formgebung;
Starke Entwässerungskapazität;
Geringes Gewicht;
Hohe mechanische Festigkeit;
Niedrige Kosten.
Um die oben genannten Grundfunktionen und Anforderungen zu erfüllen, ist der wichtigste Aspekt das strukturelle Design der Bipolarplatte. Das Design der Bipolarplatten kann in Strömungsfeldformen und Kanalstrukturen unterteilt werden. Die Kanalstruktur umfasst die Größe des Fluidverteilungsbereichs, die Struktur des Umleitungsbereichs, die Länge und Anzahl der Kanäle, das Verhältnis von Kanalbreite zu Rippenbreite, Kanaldesignanforderungen und deren Einfluss auf die Zellleistung.
Als Nächstes werde ich einen Überblick über die beiden Design-Schlüsselpunkte der Bipolarplatte geben: Strömungsfeldform und Kanalstruktur. Der Fokus liegt dabei auf den Brennpunkten sowie den Vor- und Nachteilen verschiedener Kanalformen. Durch eine Kombination aus Literaturübersicht und Simulationsstudien werde ich den Einfluss verschiedener Kanalformen auf die Leistung der Bipolarplatte erläutern.
II. Kanalformen der Bipolarplatte
Seit den frühen 1970er Jahren waren die Kanalformen von Bipolarplatten extrem einfach, hauptsächlich bestehend aus geraden Kanälen und einfachen Schlangenkanälen. Von den 1980er Jahren bis heute, als Forscher tiefer in die Untersuchung der Kanalstrukturen von Bipolarplatten eintauchten, entdeckten sie den Einfluss von Kanalstrukturen auf die Leistung von Brennstoffzellen. Komplexere Kanaldesigns begannen zu entstehen, wie z.B. Mehrfach-Schlangenkanäle, interdigitierte Kanäle, Gitterkanäle und sogar biomimetische Kanäle, wie in der Abbildung unten gezeigt:
2.1 Gerade Kanäle
Gerade Kanäle bestehen aus mehreren parallel verteilten geraden Linien. Ihre Vorteile umfassen einfache Verarbeitung, geringen Strömungswiderstand und geringe Druckverlusten am Ein- und Auslass des Fluids. Aufgrund des parallelen Designs ist jedoch der Druckunterschied zwischen den Kanälen gering, was zu einer schwachen erzwungenen Konvektion zwischen benachbarten Kanälen führt. Infolgedessen sind die reaktiven Gase hauptsächlich auf Diffusion angewiesen, um in die Gasdiffusionsschicht (GDL) für die Reaktion zu gelangen. Darüber hinaus wird aufgrund der geringen Gasströmungsgeschwindigkeit flüssiges Wasser, das sich unter den Rippen und an den Rändern der Kanäle ansammelt, nicht leicht ausgetrieben, was zu einer Überflutung der Elektroden führt und die Gesamtleistung der Zelle beeinträchtigt.
Im Folgenden untersuchen wir basierend auf Kanälen mit einer Tiefe von 0,4 mm und einer Breite von 0,5 mm die Verteilungsmuster des Druckverlustes an den Einlässen und Auslässen von Kanälen mit unterschiedlichen Längen und Strukturen. Die Abbildung unten zeigt den Zusammenhang zwischen dem Druckverlust und der Kanallänge für Kanäle mit Längen von 100 mm bis 500 mm. Es ist ersichtlich, dass der Druckverlust an Ein- und Auslass linear zunimmt, wenn die Kanallänge zunimmt. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 m/s nimmt der Druckverlust für jede 50 mm Kanallängensteigerung um etwa 1,5 kPa zu (Hinweis: Daten stammen aus dem Internet, tatsächliche Daten sollten entsprechend verifiziert werden).
Forscher verglichen auch gerade Kanäle mit einer Länge von 280 mm mit wellenförmigen Kanälen. Die Studie zeigte, dass der Einfluss auf den Druckverlust bei wellenförmigen Kanälen einem Anstieg der Länge gerader Kanäle um 200 mm entspricht, was beweist, dass wellenförmige Kanäle den Einlassdruckverlust erhöhen können, ohne die Kanallänge zu ändern. Darüber hinaus führt die Turbulenz, die durch die Biegungen in wellenförmigen Kanälen verursacht wird, zu einer gleichmäßigeren Flüssigkeitsverteilung. Der Krümmungsgrad und die Anzahl der Biegungen in wellenförmigen Kanälen beeinflussen ebenfalls den Druckverlust. Diese Daten erklären, warum viele Hersteller den verbesserten wellenförmigen Kanaldesigns von geraden Kanälen Aufmerksamkeit schenken.
Darüber hinaus umfassen gerade Kanäle auch Konfigurationen von einem-zu-zwei und einem-zu-mehreren. Die Abbildung unten untersucht die Flüssigkeitsverteilung in einem-zu-zwei, einem-zu-vier und einem-zu-acht Szenarien und kommt zu dem Schluss, dass eine Teilungszahl von zwei eine gleichmäßigere Strömungsverteilung im Strömungsfeld leichter erreicht.
Um die Probleme bei geraden Kanälen zu lösen, haben Kanaldesigner die folgenden Lösungen vorgeschlagen:
1. Reduzieren der Kanalgröße, um die Gasströmungsgeschwindigkeit zu erhöhen, was es erleichtert, das entstehende Wasser auszutreiben und eine Überflutung zu verhindern.
2. Einführen von abrupten Änderungen im Kanalquerschnitt, um die Turbulenz zu erhöhen, wodurch das Gas seitlich parallel zur Diffusionsschicht expandiert und kontrahiert und die Diffusionsfähigkeit der reaktiven Gase verbessert wird.
3. Hinzufügen von Führungsbereichen, um den Flüssigkeitsfluss gleichmäßiger zu gestalten.
4. Design von geteilten Strömungsfeldern, bei denen das Fluid vom Hauptkanal in mehrere Unterkanäle abgeleitet und dann wieder zusammengeführt wird, wodurch der Druckverlust erhöht und die Ausnutzung der Reaktanten verbessert wird.
2.2 Schlangenkanäle
Der Einzelpfad-Schlangenkanal war die früheste vorgeschlagene Kanalform. Dieser Kanaltyp hat die Vorteile einer gleichmäßigen Strömungsverteilung, einer schnellen Ausstoßung von flüssigem Wasser und einer Verstopfungsresistenz. Aufgrund der relativ langen Länge des Schlangenkanals führt dies jedoch zu einem signifikanten Flüssigkeitsdruckverlust, was leicht zu unzureichendem Stofftransport in den späteren Phasen, ungleichmäßiger Gasverteilung und ungleichmäßiger Stromdichte führen kann. Um diese Probleme zu lösen, entwickelten Forscher das Mehrwege-Schlangenkanal-Design basierend auf dem Einzelweg-Schlangenkanal.
Während das Mehrwege-Schlangenkanal-Design diese Probleme verbessern kann, kann es sie nicht vollständig lösen. Zudem erhöhen die Mehrwege-Schlangenkanäle die Verarbeitungsschwierigkeiten. Der Hauptgrund ist, dass die Schlangenkanäle in Serie und parallel angeordnet sind, mit einem Druckunterschied zwischen benachbarten Kanälen. Dies führt dazu, dass Gas durch die Rillen der Bipolarplatte strömt und über die GDL in einen anderen Kanal gelangt, was zu einem „Kurzschluss“-Phänomen führt. Darüber hinaus bleibt die Länge der Schlangenkanäle relativ lang, was zu einem signifikanten Druckverlust am Gaseinlass und -auslass führt, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung der reaktiven Gase und folglich zu ungleichmäßiger Stromdichte und Wärmeverteilung führt.
Forscher untersuchten zunächst den Einfluss von Einzelbiegepositionen in Schlangenkanälen auf den Druckverlust. Für dieselbe Kanallänge untersuchten sie verschiedene Biegepositionen und stellten fest, dass die Biegeposition in Schlangenkanälen nahezu keinen Einfluss auf den gesamten Druckverlust hat.
Anschließend untersuchten die Forscher den Einfluss von Biegewinkeln von 30° bis 135° auf den Druckverlust. Die Ergebnisse zeigten, dass mit zunehmendem Biegewinkel der Druckverlust allmählich abnimmt. Die Druckverlustrate zwischen 30° und 90° ist höher als die zwischen 90° und 135°, was darauf hinweist, dass die Druckverlustrate für spitze Winkelbiegungen höher ist als für stumpfe Winkelbiegungen.
Um die Probleme bei Schlangenkanälen zu lösen, haben Kanaldesigner die folgenden Lösungen vorgeschlagen:
Kanäle verdichten,
die Mitte des Kanals allmählich verengen,
den Auslass erweitern,
Turbulenzstrukturen hinzufügen,
Führungsdesigns integrieren.
Diese Ansätze zielen darauf ab, die Leistung und Effizienz von Schlangenkanälen zu optimieren.
2.3 Interdigitierte Kanäle
Interdigitierte Strömungsfelder, auch als diskontinuierliche Strömungsfelder bekannt, werden derzeit nicht weit verbreitet verwendet. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die Einlass- und Auslasskanäle nicht verbunden sind, wodurch die reaktiven Gase durch die GDL hindurchtreten müssen, um den Kanal zu verlassen. Dies bildet eine starke erzwungene Konvektion unter den Rippen, die Wasser aus der GDL austreibt und die Transportgeschwindigkeit der Reaktionsprodukte erhöht, was die Leistung der Brennstoffzelle erheblich verbessert. Allerdings führt die erzwungene Konvektion unter den Rippen zu einem sehr hohen Druckverlust und erheblichen Druckverlusten am Gaseinlass und -auslass, was auch die Katalysatorschicht beschädigen kann. Wenn das Design nicht vernünftig ist, besteht die Gefahr von Kurzschlüssen, wodurch die Nutzungseffizienz von Reaktanten und Elektroden verringert wird.
2.4 Gitterkanäle
Gitterkanäle umfassen die Anordnung von Hindernissen in einem regelmäßigen Muster auf der Oberfläche der Bipolarplatte, wodurch Kanäle zwischen dem Fluideinlass und -auslass gebildet werden. Dies führt dazu, dass das Fluid zwischen den Hindernissen fließt, was zu einer kontinuierlichen Expansion und Kontraktion der reaktiven Gase im Strömungsfeld führt und somit die Fluidturbulenz verstärkt. Dadurch ermöglichen Gitterkanäle den reaktiven Gasen, vollständig mit der Diffusionsschicht in Kontakt zu treten, was einen effizienten Wärmeaustausch mit der Diffusionsschicht erleichtert und die Wärme abführt. Da die reaktiven Gase jedoch mehrere Wege zur Auswahl haben, neigen sie dazu, durch Kanäle mit geringerer Widerstand zu fließen, was zu einer ungleichmäßigen Gasverteilung führt. Um dieses Problem zu lösen, können die Form und das Layout der Hindernisse optimiert werden, um die Nutzungseffizienz der reaktiven Gase zu verbessern und somit die Leistung der Brennstoffzelle zu steigern.
2.5 Biomimetische Kanäle
Biomimetische Kanäle werden typischerweise durch Nachahmung natürlicher Phänomene entworfen, wie z.B. die Verteilung von Ästen an Bäumen, die Blattaderung oder das Gefäßnetzwerk im menschlichen Herz-Kreislauf-System. Diese Designs nutzen die gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung in biologischen Systemen vollständig aus und stellen sicher, dass die reaktiven Gase vollständig genutzt werden. Das Prinzip besteht darin, die Haupt- und Nebenkanäle vernünftig anzuordnen, um eine gleichmäßige Verteilung der reaktiven Gase zu ermöglichen. In biomimetischen Kanälen teilen und verbinden sich die reaktiven Gase kontinuierlich, was Turbulenzen erzeugt und die Absorption und Nutzung der Gase fördert. Obwohl die Strömungsgeschwindigkeit in biomimetischen Kanälen niedriger ist als in Schlangen- oder interdigitierten Kanälen, bleibt der Druckverlust minimal, was die Leistung der Brennstoffzelle weiter verbessert.
III. Struktur anderer Teile der Bipolarplatte
Die Leistung der Bipolarplatte hängt nicht nur eng mit der Kanalstruktur zusammen, sondern wird auch von den Abmessungen der Einlass- und Auslassbereiche, der Konfiguration der Reaktantübergangszone und den Abmessungen der Reaktionszonenkanäle beeinflusst. Im Folgenden werfen wir einen kurzen Blick auf die Auswirkungen dieser drei Bereiche auf die Leistung der Brennstoffzelle.
3.1 Einlass- und Auslassbereiche
Derzeit befinden sich die Einlass- und Auslassbereiche der Bipolarplatten meist rund um den Rand. Diese Bereiche dienen als Flüssigkeitsleitungsregionen, die es den reaktiven Gasen und dem Kühlmittel ermöglichen, durch die Ein- und Auslässe der Kanäle in und aus der Bipolarplatte zu strömen. Die Anordnung und Größe dieser Bereiche sind ebenfalls Faktoren, die die Leistung der Brennstoffzelle beeinflussen.
Zur Anordnung der Ein- und Auslässe: Um das Wasser-Wärme-Management und die Feuchtigkeit der reaktiven Gase auszubalancieren, sind die Ein- und Auslasspositionen der Bipolarplatte so gestaltet, dass der Lufteinlass mit niedriger Luftfeuchtigkeit sich auf der Seite mit niedrigerer Temperatur befindet. Dies ermöglicht eine Befeuchtung durch Wasserdiffusion vom Anodenende, während sich der Lufteinlass mit hoher Luftfeuchtigkeit auf der Seite mit höherer Temperatur befindet, was dem Lufteinlass mit niedriger Feuchtigkeit entspricht. Dieses Gesamtdesign ist vorteilhaft für die gleichmäßige Verteilung des Wassergehalts innerhalb der Brennstoffzelle.
Bezüglich der Abmessungen der Ein- und Auslässe zeigen Untersuchungen, dass die Querschnittsfläche des Einlasses größer oder gleich der minimalen Kanalquerschnittsfläche multipliziert mit der Anzahl der Kanäle sein sollte. Typischerweise sind die relativen Größen von Ein- und Auslass symmetrisch. Mit der Entwicklung von Bipolarplatten haben jedoch einige Automobil- und Energieunternehmen asymmetrische Brennstoffzellen-Elektrodenplatten vorgeschlagen, bei denen die Querschnittsfläche der Anoden- und Kathodenauslässe größer ist als die der Einlässe. Dieses Design hat eine verbesserte Gleichmäßigkeit in der Verteilung der reaktiven Gase gezeigt.
3.2 Reaktantübergangszone
Die Reaktantübergangszone ist der Bereich, in dem reaktive Gase und Kühlmittel in die Reaktionszone gelangen. Ihre Hauptfunktion besteht darin, den Fluss dieser Substanzen in die Reaktionszone zu leiten. Einige Bipolarplatten-Designs integrieren die Übergangszone mit den Kanälen, während andere eine separat konfigurierte Übergangszone haben. Die separat konfigurierte Übergangszone verwendet häufig eine Gitter-/Punktmatrixverteilung der Kanäle, die es den Gasen ermöglicht, sich in der Übergangszone zu verteilen, bevor sie in die Kanäle gelangen.
3.3 Abmessungen der Reaktionszonenkanäle
Die Abmessungen der Kanäle in der Reaktionszone sind entscheidende Parameter, die die Leistung der reaktiven Gase und des Kühlmittels beeinflussen. Die Kanalabmessungen können in Kanalbreite, Rippenbreite und Kanaltiefe unterteilt werden.
3.3.1 Kanalbreite
Untersuchungen haben gezeigt, dass unterschiedliche Kanalbreiten die Leistung, den Druckverlust und die Gasverteilung der Brennstoffzelle wie folgt beeinflussen:
Eine Verringerung der Kanalbreite hilft, die Leistung der Brennstoffzelle zu verbessern.
Eine schmalere Kanalbreite verringert die Strömungsgeschwindigkeitsunterschiede zwischen benachbarten Kanälen und verbessert die Gleichmäßigkeit der Strömungsverteilung.
Eine Verringerung der Kanalgröße führt zu einem nichtlinearen Anstieg der mittleren Sauerstoffkonzentration und deren Gleichmäßigkeit, wodurch die Sauerstoffumwandlungsrate erhöht wird.
3.3.2 Rippenbreite
Basierend auf der Leitfähigkeit der Elektroden- und Bipolarplattenmaterialien gibt es einen optimalen Wert für die Fläche der Strömungsfeldrillen, was bedeutet, dass das Verhältnis von Kanalbreite zu Rippenbreite einen optimalen Wert hat. Das Verhältnis der Rillenfläche zur Gesamtfläche der Bipolarplatte wird als Porosität der Bipolarplatte bezeichnet. Untersuchungen zeigen, dass die Porosität zwischen 40 % und 75 % liegen sollte. Eine zu hohe Porosität führt zu einem übermäßigen Kontaktwiderstand zwischen der Elektrode und der Bipolarplatte, was den ohmschen Polarisationsverlust der Zelle erhöht. Umgekehrt führt eine zu niedrige Porosität zu einer unzureichenden Reaktionsfläche aufgrund zu kleiner Kanalbereiche.
3.3.3 Kanaltiefe
Studien zeigen, dass innerhalb eines bestimmten Bereichs die Leistung der Brennstoffzelle umso besser ist, je geringer die Kanaltiefe ist. Wenn der Kanal jedoch zu flach ist, kann dies zu einem übermäßigen Druckverlust führen. Unter Berücksichtigung der Auswirkungen der Kanaltiefe auf den Druckverlust und die Gaskonzentration wird die optimale Leistung erzielt, wenn die Kanaltiefe 0,6 mm beträgt (diese Daten basieren auf Simulationstests, und tatsächliche Daten können je nach verschiedenen Faktoren variieren).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei einer bestimmten Gasströmungsrate eine angemessene Verringerung der Tiefe und Breite der Kanäle die Gasströmungsgeschwindigkeit erhöhen, die Gaskonzentration, die in die GDL und die Katalysatorschicht gelangt, erhöhen und die Wasserableitung und Wärmeableitungsleistung des Strömungsfeldes verbessern kann. Um jedoch übermäßige Druckverluste in den Kanälen und einen hohen Kontaktwiderstand zwischen der Bipolarplatte und der GDL zu vermeiden, sollten die Kanalbreite und -tiefe nicht zu klein sein.
Ausblick
Als ein entscheidendes Bauteil von Brennstoffzellen wirken sich die Kanalform und die Struktur der Bipolarplatte direkt auf die Nutzung der reaktiven Gase und die Leistung der Brennstoffzelle aus. Derzeit sind die am häufigsten verwendeten Formen gerade Kanäle und Schlangekanäle, wobei Verbesserungen hauptsächlich auf die Abmessungen und die Struktur dieser Kanäle abzielen.
Unter den maßgeschneiderten Bipolarplattenkunden von TMN gibt es neben den bereits erwähnten Optimierungen der Kanalstruktur, der Ein- und Auslassbereiche, der Reaktantübergangszonen und der Abmessungen der Reaktionszonenkanäle auch unterschiedliche Herstellungsanforderungen für Bipolarplatten. Zwei der typischsten Fälle sind wie folgt:
Klassischer Fall 1: Oberflächenbeschichtung
Dabei wird auf einer Seite der Bipolarplatte Platin galvanisch aufgetragen und auf der anderen Seite MMO (Mischmetalloxid).
Klassischer Fall 2: Kanäle mit zwei Tiefen
Dabei werden zwei unterschiedliche Kanaltiefen auf derselben Seite der Bipolarplatte geätzt. Beispielsweise können bei einer Gesamtdicke der Bipolarplatten von 2,0 mm Kanäle mit Tiefen von 0,6 mm und 0,4 mm auf einer Seite geätzt werden, während auf der anderen Seite ein 0,5 mm tiefer Kanal geätzt wird.
TMN investiert jedes Jahr in die Forschung zur Herstellung von Bipolarplatten. Die Fertigungstechnologie schreitet mit der Entwicklung der Bipolarplatten voran und bietet zuverlässige technische Unterstützung für die Forschung und Entwicklung von Bipolarplatten. Wenn Sie in der Forschung zu Bipolarplatten tätig sind und technische Unterstützung benötigen, hinterlassen Sie uns bitte eine Nachricht. Wir werden Sie so schnell wie möglich kontaktieren, um Ihnen die besten Lösungen und fortschrittliche technische Unterstützung zu bieten.
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