Bipolarplatten, oft auch als Stromsammler bezeichnet, sind unverzichtbare Komponenten innerhalb der Brennstoffzellentechnologie. Zwischen Membran-Elektroden-Einheiten und Dichtkomponenten positioniert, spielen diese Platten eine vielseitige Rolle, die für den effizienten Betrieb von Brennstoffzellen unerlässlich ist.
Funktional dienen Bipolarplatten als kritische Verbindungen innerhalb des Brennstoffzellenstapels und erfüllen eine Reihe von Aufgaben, die eine nahtlose Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie gewährleisten.
In erster Linie wirken sie als Barrieren, die die Brennstoff- und Oxidationsmittelströme effektiv trennen und Gasüberschneidungen verhindern, wodurch die Integrität der elektrochemischen Reaktionen innerhalb der Zelle erhalten bleibt. Darüber hinaus erleichtern diese Platten den Transport von Reaktionsgasen zu und von den Elektroden und ermöglichen so effiziente elektrochemische Reaktionen.
Zudem spielen Bipolarplatten eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung der elektrischen Konnektivität, indem sie den reibungslosen Stromfluss durch den Zellstapel gewährleisten. Sie tragen auch zur Entfernung der während der elektrochemischen Reaktionen erzeugten Wassernebenprodukte bei, verhindern Überflutungen und halten die optimale Zellleistung aufrecht.
Darüber hinaus ist das Design und die Bearbeitung der Strömungskanäle innerhalb der Bipolarplatten darauf ausgelegt, die Gase gleichmäßig auf die Reaktionsschicht der Elektroden zu verteilen und gleichmäßige elektrochemische Reaktionen zu fördern. Sie tragen auch zur effektiven Wärmeableitung bei und helfen so, die Temperatur innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu regulieren.
In Bezug auf den Aufbau weisen Bipolarplatten Eigenschaften auf, die ideal für ihre Anwendung sind. Sie zeichnen sich durch dünne Profile und eine leichte Konstruktion aus, was zur Gesamteffizienz des Brennstoffzellensystems beiträgt. Darüber hinaus bieten sie kostengünstige Herstellungsoptionen, die sie für die Massenproduktion geeignet machen.
Die Materialauswahl für Bipolarplatten ist von entscheidender Bedeutung, wobei die Materialien eine hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, gute Gasdichtigkeit und hohe Leitfähigkeit aufweisen müssen, um sowohl die Leistung als auch die Langlebigkeit von Brennstoffzellensystemen zu optimieren. Derzeit werden Bipolarplatten auf dem Markt allgemein in drei Kategorien eingeteilt: Graphit-Bipolarplatten, Metall-Bipolarplatten und Verbund-Bipolarplatten.
Graphit-Bipolarplatten
Graphit-Bipolarplatten sind wesentliche Komponenten der Brennstoffzellentechnologie, die hauptsächlich aus Graphitpulver und expandiertem Graphit bestehen.
1. Graphitpulver:
Graphitpulver dient als eines der Hauptrohstoffe für Graphit-Bipolarplatten. Es handelt sich um fein gemahlenen Graphit, der sich durch seine hohe Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit auszeichnet.
2. Expandierter Graphit:
Expandierter Graphit, ein weiterer wichtiger Bestandteil, durchläuft einen Expansionsprozess, um sein Volumen zu erhöhen. Dies führt zu einer porösen Struktur mit verbesserter Wärme- und Leitfähigkeit, was ihn zu einem idealen Material für Bipolarplatten macht.
Die Herstellung und Verarbeitung von Graphit-Bipolarplatten erfolgt typischerweise auf zwei Hauptmethoden:
– Die erste Methode umfasst das Formen oder Spritzgießen von Graphitpulver, das mit Harzmaterialien gemischt ist. Dieser Prozess nutzt die Eigenschaften der Graphitpulver-Harz-Mischung, um hydrophobe Eigenschaften auf der Produktoberfläche zu erzielen.
– Die zweite Methode verwendet expandierte Graphit-Verbundwerkstoffe zur Herstellung von plattenartigen Strukturen. Dieser Prozess umfasst Schritte wie leichtes Pressen, Formen, Harzimpregnierung, Vulkanisation, Verklebung und Abdichtung. Durch die Verwendung von expandierten Graphitmaterialien weisen die resultierenden Produkte eine hohe Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit auf, die den Anforderungen an die Geometrie, Oberflächenkontur und mechanische Abmessungen der Bipolarplatten entsprechen.
Graphit-Bipolarplatten bieten mehrere Vorteile, darunter hohe Haltbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und relativ niedrige Kosten. Sie sind besonders geeignet für kommerzielle Fahrzeuge wie Busse, Logistikfahrzeuge, Müllfahrzeuge und Gabelstapler. Allerdings haben Graphit-Bipolarplatten auch einige Nachteile, wie geringe Druck- und Biegefestigkeit, die zu Fragilität, Montageproblemen und größeren Abmessungen führen können.
Metall-Bipolarplatten
Metall-Bipolarplatten sind wesentliche Komponenten der Brennstoffzellentechnologie und werden allmählich zur bevorzugten Wahl aufgrund ihrer Kosteneffizienz und überlegenen mechanischen Eigenschaften. Diese Platten werden aus einer Vielzahl von Metallen und metallbasierten Verbundmaterialien hergestellt, die jeweils einzigartige Vorteile in Brennstoffzellenanwendungen bieten.
Materialien wie Edelstahl, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Nickellegierungen, Kupferlegierungen und metallbasierte Verbundwerkstoffe finden breite Anwendung bei der Herstellung von Metall-Bipolarplatten. Traditionelle Stanz- oder Metallgravur Verfahren werden verwendet, um ultradünne Metallbleche von bis zu 0,1 mm Dicke für die Herstellung von Bipolarplatten zu produzieren.
Metallplatten, die relativ dünner sind, weisen eine höhere Volumenleistungsdichte auf, was sie gut für Brennstoffzellenstapel mit hoher Leistungsdichte geeignet macht. Sie werden weit verbreitet in Personenkraftwagen und anderen Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Leistungsabgabe erfordern. Metallplatten können jedoch eine geringere Haltbarkeit, höhere Produktionskosten, die durch die Materialauswahl beeinflusst werden, und eine Anfälligkeit für Oxidationsreaktionen und Korrosion in sauren Umgebungen oder bei hohen Temperaturen aufweisen.
Es ist erwähnenswert, dass die Erreichung einer großangelegten Produktion von Metall-Bipolarplatten die Produktionskosten erheblich senken könnte, was ein Forschungsschwerpunkt in der Branche ist. Mit fortschreitenden Entwicklungen halten Metall-Bipolarplatten großes Potenzial zur weiteren Optimierung der Brennstoffzellentechnologie und tragen zur Förderung sauberer Energielösungen bei.
Verbund-Bipolarplatten
Verbund-Bipolarplatten stellen einen wegweisenden Fortschritt in der Brennstoffzellentechnologie dar und bestehen aus zwei oder mehr Materialien, die synthetisiert wurden, um innovative Lösungen zu schaffen. Lassen Sie uns tiefer in das eintauchen, was Verbund-Bipolarplatten auszeichnet.
Verbund-Bipolarplatten bestehen aus einer Mischung von Materialien, insbesondere Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe und Graphit/Polymer-Verbundwerkstoffe. Diese Kombinationen zielen darauf ab, die Korrosionsbeständigkeit von Graphitmaterialien mit der Verarbeitbarkeit und hohen Härte von Metallen zu nutzen, um die Einschränkungen der einzelnen Materialien zu überwinden.
Aktuelle Forschungen konzentrieren sich auf Oberflächenmodifikationen von Anodenplatten aus Aluminiumlegierungen, Kohlenstoffstahl oder rostfreien Stählen wie 316L und 310L. Oberflächenmodifikationstechniken umfassen Kohlenstoff-basierte Beschichtungen, Metallnitridbeschichtungen und Polymerbeschichtungen, die deren Leistung und Haltbarkeit verbessern.
Trotz ihrer potenziellen Vorteile stehen Verbund-Bipolarplatten vor bestimmten Herausforderungen. Ihre verlängerten Verarbeitungszyklen und komplexen Produktionsprozesse, gepaart mit Zuverlässigkeitsproblemen bei längerem Gebrauch, schränken ihre weitverbreitete Akzeptanz in Brennstoffzellenanwendungen ein.
Darüber hinaus erfordern Oberflächenbeschichtungstechnologien strenge Ausrüstungsanforderungen, insbesondere für Prozesse, die Edelmetallgalvanik umfassen, was die Produktionskosten erheblich erhöht.
Bipolarplatten sind wesentliche Komponenten von Brennstoffzellen, und die Suche nach leistungsfähigen und kosteneffizienten neuen Materialien und Herstellungsmethoden für Bipolarplatten ist entscheidend für die Industrialisierung von Brennstoffzellenfahrzeugen. Unter den verschiedenen Bipolarplattenmaterialien haben Metall-Bipolarplatten Vorteile in der Leitfähigkeit, Ermüdungsbeständigkeit usw. im Vergleich zu Graphit-Bipolarplatten, was sie besser für die Miniaturisierung und signifikant für die Erhöhung der Leistungsdichte von Brennstoffzellenstapeln macht.
In der Zukunft wird die Entwicklung hervorragender korrosionsbeständiger und leitfähiger Beschichtungen oder neuer Metallmaterialien für Bipolarplatten die Anwendung von PEMFCs im Personenkraftwagenbereich stark fördern. Darüber hinaus sind technologische Fortschritte zur Kostensenkung gleichermaßen wichtig, und die Beschleunigung der Transformation von Bipolarplattenprodukten von Labortechnologien zu industriellen Produkten ist der direkteste Weg zur Kostensenkung und Effizienzsteigerung.