I. Einleitung:
Mit der stetigen Weiterentwicklung des globalen Transportwesens steigt der Erdölverbrauch weltweit. Die weitverbreitete Nutzung von Verbrennungsmotoren hat zu massiver Luftverschmutzung geführt und den Treibhauseffekt verstärkt. Um diesem Problem zu begegnen, haben sich die Vereinten Nationen, die Europäische Union und der IPCC einstimmig auf eines geeinigt: Wir müssen bis 2050 Klimaneutralität erreichen. Das bedeutet, dass die Menge des emittierten Kohlendioxids der Menge des in der Atmosphäre aufgenommenen Kohlenstoffs entsprechen muss. Daher müssen wir innerhalb von weniger als 30 Jahren die Kohlendioxidemissionen reduzieren, um letztendlich Klimaneutralität zu erreichen und die Erde zu schützen. Wie erreichen wir also Klimaneutralität, und welchen Weg sollten wir einschlagen?
Um dieses Ziel zu erreichen, werden Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen) als emissionsfreie, saubere Energiequelle zweifellos eine zentrale Rolle für die Klimaneutralität spielen. Die Bipolarplatte, eine der Kernkomponenten der PEM-Brennstoffzelle, beeinflusst direkt die Ausnutzung der Reaktionsgase sowie die Drainage- und Wärmeabfuhrleistung der Brennstoffzelle. Diese Arbeit sammelt und fasst relevante Daten zusammen und beschreibt die sechs grundlegenden Funktionen, die Bipolarplatten in Brennstoffzellen erfüllen müssen:
Einzelne Zellen im Stapel trennen;
Sauerstoff und Wasserstoff transportieren;
Elektrischen Anschluss bereitstellen und Strom leiten;
Entfernen von Nebenprodukten wie Wasser;
Reaktionswärme durch Kühlmittel abführen;
Der Klemmkraft der Stapelmontage standhalten.
Ausgehend von den oben genannten sechs Grundfunktionen muss die Konstruktion von Bipolarplatten die folgenden neun grundlegenden Anforderungen erfüllen:
Starke Korrosionsbeständigkeit;
Niedriger Widerstand und ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit;
Gute Wärmeleitfähigkeit zur effektiven Steuerung der Zelltemperatur;
Mäßiger Druckverlust am Ein- und Auslass;
Einfach zu verarbeiten und zu formen;
Hohe Entwässerungskapazität;
Geringes Gewicht;
Hohe mechanische Festigkeit;
Niedrige Kosten.
Um die oben genannten grundlegenden Funktionen und Anforderungen zu erfüllen, ist die strukturelle Auslegung der Bipolarplatte von größter Bedeutung. Die Auslegung von Bipolarplatten lässt sich in Strömungsfeldformen und Kanalstrukturen unterteilen. Die Kanalstruktur umfasst die Größe des Fluidverteilungsbereichs, die Struktur des Umlenkbereichs, die Länge und Anzahl der Kanäle, das Verhältnis von Kanalbreite zu Stegbreite, die Anforderungen an die Kanalauslegung sowie deren Auswirkungen auf die Zellleistung.
Im Folgenden gebe ich einen Überblick über die beiden wichtigsten Konstruktionsaspekte der Bipolarplatte: Strömungsfeldform und Kanalstruktur. Der Fokus liegt dabei auf den kritischen Punkten sowie den Vor- und Nachteilen verschiedener Kanalformen. Anhand einer Kombination aus Literaturrecherche und Simulationsstudien erläutere ich den Einfluss unterschiedlicher Kanalformen auf die Leistungsfähigkeit der Bipolarplatte.
II. Bipolarplatten-Kanalformen
Seit den frühen 1970er Jahren waren die Kanalformen von Bipolarplatten äußerst einfach und bestanden hauptsächlich aus geraden und einfachen Serpentinenkanälen. Von den 1980er Jahren bis heute, als Forscher die Kanalstrukturen von Bipolarplatten eingehender untersuchten, entdeckten sie den Einfluss der Kanalstrukturen auf die Brennstoffzellenleistung. Komplexere Kanaldesigns entstanden, wie beispielsweise mehrfach serpentinenförmige Kanäle, interdigitierte Kanäle, Gitterkanäle und sogar biomimetische Kanäle, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:
2.1 Gerade Kanäle
Gerade Kanäle bestehen aus mehreren parallel angeordneten geraden Linien. Ihre Vorteile liegen in der einfachen Verarbeitung, dem geringen Strömungswiderstand und dem geringen Druckverlust am Ein- und Auslass des Fluids. Aufgrund der parallelen Anordnung ist jedoch die Druckdifferenz zwischen den Kanälen gering, was zu einer schwachen erzwungenen Konvektion zwischen benachbarten Kanälen führt. Folglich diffundieren reaktive Gase hauptsächlich in die Gasdiffusionsschicht (GDL), um dort zu reagieren. Aufgrund der geringen Gasdurchflussrate lässt sich zudem das unter den Kanten und an den Rändern der Kanäle angesammelte flüssige Wasser nur schwer verdrängen, was zu einer Überflutung der Elektroden führt und die Gesamtleistung der Zelle beeinträchtigt.
Anschließend werden wir anhand von Kanälen mit einer Tiefe von 0.4 mm und einer Breite von 0.5 mm die Verteilung des Druckverlusts an den Ein- und Auslässen von Kanälen unterschiedlicher Länge und Struktur untersuchen. Die Abbildung unten zeigt den Zusammenhang zwischen Druckverlust und Kanallänge für Kanäle mit Längen von 100 mm bis 500 mm. Es ist ersichtlich, dass der Druckverlust an Ein- und Auslass mit zunehmender Kanallänge linear ansteigt. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 m/s erhöht sich der Druckverlust um etwa 1.5 kPa pro 50 mm zusätzlicher Kanallänge (Anmerkung: Die Daten stammen aus dem Internet; die tatsächlichen Daten sollten entsprechend überprüft werden).
Forscher verglichen außerdem gerade Kanäle mit einer Länge von 280 mm mit gewellten Kanälen. Die Studie zeigte, dass der Einfluss gewellter Kanäle auf den Druckverlust einer Verlängerung gerader Kanäle um 200 mm entspricht. Dies beweist, dass gewellte Kanäle den Einlassdruckverlust erhöhen können, ohne die Kanallänge zu verändern. Darüber hinaus führt die durch die Krümmungen in gewellten Kanälen erzeugte Turbulenz zu einer gleichmäßigeren Fluidverteilung. Der Krümmungsgrad und die Anzahl der Krümmungen in gewellten Kanälen beeinflussen ebenfalls den Druckverlust. Diese Daten erklären, warum viele Hersteller die Verbesserung des Designs gerader Kanäle durch gewellte Kanäle vorantreiben.
Darüber hinaus umfassen gerade Kanäle auch 1-zu-2- und 1-zu-Mehrfach-Konfigurationen. Die folgende Abbildung veranschaulicht die Fluidverteilung in 1-zu-2-, 1-zu-4- und 1-zu-8-Szenarien und kommt zu dem Schluss, dass eine Zweier-Aufteilung leichter eine gleichmäßige Strömungsverteilung im Strömungsfeld ermöglicht.
Um die Probleme mit geraden Kanälen zu beheben, haben Kanalentwickler folgende Lösungen vorgeschlagen:
1. Durch Verringern der Kanalgröße kann die Gasdurchflussrate erhöht werden, wodurch das entstehende Wasser leichter abgeführt und Überschwemmungen verhindert werden können.
2. Durch abrupte Änderungen der Kanalquerschnitte wird die Turbulenz erhöht, wodurch sich das Gas seitlich parallel zur Diffusionsschicht ausdehnt und zusammenzieht, was die Diffusionsfähigkeit reaktiver Gase erhöht.
3. Fügen Sie Führungsbereiche hinzu, um eine gleichmäßigere Strömung zu erzielen.
4. Gestaltung von geteilten Strömungsfeldern, bei denen das Fluid vom Hauptkanal in mehrere Unterkanäle umgeleitet und dann wieder zusammengeführt wird, wodurch der Druckverlust erhöht und die Reaktantenausnutzung verbessert wird.
2.2 Serpentinenkanäle
Der einsträngige Serpentinenkanal war die erste vorgeschlagene Kanalform. Dieser Kanaltyp zeichnet sich durch eine gleichmäßige Strömungsverteilung, einen schnellen Abfluss des flüssigen Wassers und eine geringe Verstopfungsneigung aus. Aufgrund seiner relativ großen Länge führt er jedoch zu einem signifikanten Druckabfall, der in späteren Phasen leicht zu unzureichendem Stofftransport, ungleichmäßiger Gasverteilung und ungleichmäßiger Strömungsdichte führen kann. Um diese Probleme zu beheben, entwickelten Forscher basierend auf dem einsträngigen Serpentinenkanal den mehrsträngigen Serpentinenkanal.
Das mehrstufige Serpentinendesign kann diese Probleme zwar verbessern, aber nicht vollständig lösen. Zudem erschweren die mehrstufigen Serpentinenkanäle die Verarbeitung. Der Hauptgrund dafür ist die serielle und parallele Anordnung der Serpentinenkanäle, wodurch ein Druckunterschied zwischen benachbarten Kanälen entsteht. Dies führt dazu, dass Gas durch die Stege der Bipolarplattenkanäle strömt und über die Gasdiffusionsschicht (GDL) in einen anderen Kanal gelangt, was einen Kurzschluss verursacht. Da die Serpentinenkanäle relativ lang bleiben, entsteht außerdem weiterhin ein signifikanter Druckabfall am Gasein- und -auslass. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Reaktionsgase und folglich zu einer ungleichmäßigen Stromdichte und Wärmeverteilung.
Zunächst untersuchten Forscher den Einfluss einzelner Krümmungspositionen in Serpentinenkanälen auf den Druckverlust. Bei gleicher Kanallänge untersuchten sie verschiedene Krümmungspositionen und stellten fest, dass die Krümmungsposition in Serpentinenkanälen nahezu keinen Einfluss auf den Gesamtdruckverlust hat.
Anschließend untersuchten die Forscher den Einfluss von Biegewinkeln zwischen 30° und 135° auf den Druckverlust. Die Ergebnisse zeigten, dass der Druckverlust mit zunehmendem Biegewinkel abnimmt. Die Druckverlustrate zwischen 30° und 90° ist höher als zwischen 90° und 135°, was darauf hindeutet, dass der Druckverlust bei spitzen Biegewinkeln höher ist als bei stumpfen.
Um die Probleme mit Serpentinenkanälen zu lösen, haben Kanalplaner folgende Lösungen vorgeschlagen:
Verdichten Sie die Kanäle,
Verengen Sie den mittleren Teil des Kanals allmählich.
Erweitern Sie die Filiale.
Turbulenzstrukturen hinzufügen,
Leitende Entwürfe einbeziehen.
Diese Richtlinien zielen darauf ab, die Leistungsfähigkeit und Effizienz von Serpentinenkanälen zu optimieren.
2.3 Interdigitale Kanäle
Interdigitale Strömungsfelder, auch diskontinuierliche Strömungsfelder genannt, finden derzeit noch wenig Anwendung. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die Ein- und Auslasskanäle nicht miteinander verbunden sind, wodurch die Reaktionsgase die Gasdiffusionsschicht (GDL) durchströmen müssen, um den Kanal zu verlassen. Unter den Rippen entsteht eine starke erzwungene Konvektion, die Wasser aus der GDL verdrängt und die Transportrate der Reaktionsprodukte erhöht, was die Leistung der Brennstoffzelle deutlich steigert. Allerdings führt die erzwungene Konvektion unter den Rippen zu einem sehr hohen Druckabfall und erheblichen Druckverlusten am Gasein- und -auslass, was die Katalysatorschicht beschädigen kann. Bei einer ungeeigneten Konstruktion besteht Kurzschlussgefahr, wodurch die Ausnutzungseffizienz von Reaktanten und Elektroden sinkt.
2.4 Rasterkanäle
Gitterkanäle entstehen durch die regelmäßige Anordnung von Hindernissen auf der Oberfläche der Bipolarplatte. Diese Kanäle verlaufen zwischen dem Fluidein- und -auslass und bewirken so eine Strömung des Fluids zwischen den Hindernissen. Dies führt zu einer kontinuierlichen Expansion und Kontraktion der reaktiven Gase im Strömungsfeld und somit zu verstärkten Fluidturbulenzen. Dadurch können die reaktiven Gase die Diffusionsschicht vollständig erreichen, was einen effizienten Wärmeaustausch und den Wärmeabtransport ermöglicht. Da die reaktiven Gase jedoch mehrere Wege zur Auswahl haben, strömen sie tendenziell durch Kanäle mit geringerem Widerstand, was zu einer ungleichmäßigen Gasverteilung führt. Um dieses Problem zu beheben, können Form und Anordnung der Hindernisse optimiert werden, um die Ausnutzung der reaktiven Gase und damit die Brennstoffzellenleistung zu verbessern.
2.5 Biomimetische Kanäle
Biomimetische Kanäle werden typischerweise durch Nachahmung natürlicher Phänomene wie der Astverteilung an Bäumen, der Blattaderung oder des Gefäßnetzes im menschlichen Herz-Kreislauf-System gestaltet. Diese Konstruktionen nutzen die gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung biologischer Systeme optimal aus und gewährleisten so die vollständige Nutzung der Reaktionsgase. Das Prinzip besteht darin, Haupt- und Nebenkanäle so anzuordnen, dass eine gleichmäßige Verteilung der Reaktionsgase ermöglicht wird. In biomimetischen Kanälen teilen und vereinigen sich die Reaktionsgase kontinuierlich, wodurch Turbulenzen entstehen und die Absorption und Nutzung der Gase gefördert wird. Obwohl die Durchflussrate in biomimetischen Kanälen geringer ist als in Serpentinen- oder Interdigitationskanälen, bleibt der Druckabfall minimal, was die Leistung der Brennstoffzelle weiter verbessert.
IIIAufbau anderer Teile der Bipolarplatte
Die Leistung der Bipolarplatte hängt nicht nur eng mit der Kanalstruktur zusammen, sondern wird auch von den Abmessungen der Ein- und Auslassbereiche, der Konfiguration der Reaktantenübergangszone und den Abmessungen der Reaktionskanal-Abmessungen beeinflusst. Im Folgenden betrachten wir kurz den Einfluss dieser drei Bereiche auf die Brennstoffzellenleistung.
3.1 Ein- und Auslassbereiche
Aktuell befinden sich die Ein- und Auslassbereiche von Bipolarplatten überwiegend im Randbereich. Diese Bereiche dienen der Fluidleitung und ermöglichen den Ein- und Austritt von Reaktionsgasen und Kühlmittel durch die Kanalein- und -auslässe in die bzw. aus der Bipolarplatte. Anordnung und Größe dieser Bereiche beeinflussen die Leistung der Brennstoffzelle.
Um ein optimales Wasser-Wärme-Management und eine ausgewogene Reaktion der Gasfeuchtigkeit zu gewährleisten, sind die Ein- und Auslasspositionen der Bipolarplatte so gestaltet, dass der Einlass für die Luft mit niedriger Luftfeuchtigkeit auf der Seite mit der niedrigeren Temperatur liegt. Dies ermöglicht die Befeuchtung durch Wasserdiffusion vom Anodenende aus. Der Auslass für die Luft mit hoher Luftfeuchtigkeit befindet sich hingegen auf der Seite mit der höheren Temperatur und entspricht dem Einlass für Wasserstoff mit niedriger Luftfeuchtigkeit. Diese Gesamtkonstruktion begünstigt eine gleichmäßige Verteilung des Wassergehalts innerhalb der Brennstoffzelle.
Bezüglich der Abmessungen der Ein- und Auslässe zeigen Untersuchungen, dass die Querschnittsfläche des Einlasses mindestens so groß sein sollte wie die minimale Kanalquerschnittsfläche multipliziert mit der Anzahl der Kanäle. 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 der Verteilung der Reaktionsgase gezeigt.
3.2 Reaktantenübergangszone
Die Reaktantenübergangszone ist der Bereich, in dem Reaktionsgase und Kühlmittel in die Reaktionszone eintreten. Ihre Hauptfunktion besteht darin, den Stoffstrom in die Reaktionszone zu lenken. Einige Bipolarplatten-Designs integrieren die Übergangszone in die Kanäle, während andere über eine separat konfigurierte Übergangszone verfügen. Die separat konfigurierte Übergangszone nutzt häufig eine Gitter- oder Punktmatrixanordnung der Kanäle, wodurch die Gase in der Übergangszone verteilt werden können, bevor sie in die Kanäle eintreten.
3.3 Abmessungen des Reaktionsbereichskanals
Die Abmessungen der Kanäle im Reaktionsbereich sind entscheidende Parameter, die die Leistung der Reaktionsgase und des Kühlmittels beeinflussen. Die Kanalabmessungen lassen sich in Kanalbreite, Stegbreite und Kanaltiefe unterteilen.
3.3.1 Kanalbreite
Untersuchungen haben gezeigt, dass unterschiedliche Kanalbreiten die Leistung, den Druckabfall und die Gasverteilung der Brennstoffzelle wie folgt beeinflussen:
Durch die Verringerung der Kanalbreite lässt sich die Leistung der Brennstoffzelle verbessern.
Eine geringere Kanalbreite verringert die Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit zwischen benachbarten Kanälen und verbessert so die Gleichmäßigkeit der Strömungsverteilung.
Durch die Verkleinerung des Kanaldurchmessers kommt es zu einem nichtlinearen Anstieg der mittleren Sauerstoffkonzentration und ihrer Gleichmäßigkeit, wodurch die Sauerstoffumwandlungsrate erhöht wird.
3.3.2 Firstbreite
Aufgrund der Leitfähigkeit der Elektroden- und Bipolarplattenmaterialien existiert ein optimaler Wert für die Fläche der Strömungsfeldrillen, d. h. das Verhältnis von Kanalbreite zu Rippenbreite ist optimal. Das Verhältnis der Rillenfläche zur Gesamtfläche der Bipolarplatte wird als deren Porosität bezeichnet. Untersuchungen zeigen, dass die Porosität zwischen 40 % und 75 % liegen sollte. Eine zu hohe Porosität führt zu einem übermäßigen Kontaktwiderstand zwischen Elektrode und Bipolarplatte und damit zu erhöhten ohmschen Polarisationsverlusten der Zelle. Umgekehrt führt eine zu niedrige Porosität aufgrund zu kleiner Kanalbereiche zu einer unzureichenden Reaktionsfläche.
3.3.3 Kanaltiefe
Studien zeigen, dass innerhalb eines bestimmten Bereichs eine geringere Kanaltiefe die Leistung der Brennstoffzelle verbessert. Ist der Kanal jedoch zu flach, kann dies zu übermäßigen Druckverlusten führen. Unter Berücksichtigung der Auswirkungen der Kanaltiefe auf Druckverlust und Gaskonzentration wird die optimale Leistung bei einer Kanaltiefe von 0.6 mm erreicht (diese Daten basieren auf Simulationstests; tatsächliche Werte können je nach Einflussfaktoren variieren).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei einer bestimmten Gasdurchflussrate eine geeignete Reduzierung der Kanaltiefe und -breite die Gasströmungsgeschwindigkeit und die Gaskonzentration im GDL und der Katalysatorschicht erhöhen sowie die Wasserableitung und Wärmeabfuhr des Strömungsfeldes verbessern kann. Um jedoch übermäßige Druckverluste in den Kanälen und einen hohen Kontaktwiderstand zwischen der Bipolarplatte und dem GDL zu vermeiden, dürfen Kanalbreite und -tiefe nicht zu gering sein.
Outlook
Als entscheidende Komponente von Brennstoffzellen beeinflussen Form und Struktur der Bipolarplatte direkt die Ausnutzungsrate der Reaktionsgase und die Leistung der Brennstoffzelle. Aktuell werden am häufigsten gerade und serpentinenförmige Kanäle verwendet, wobei Verbesserungen hauptsächlich auf deren Abmessungen und Struktur abzielen.
Bei den Kunden von TMN, die kundenspezifische Bipolarplatten benötigen, gibt es neben den bereits erwähnten Optimierungen der Kanalstruktur, der Ein- und Auslassbereiche, der Reaktantenübergangszonen und der Kanalabmessungen im Reaktionsbereich auch vielfältige andere Fertigungsanforderungen für Bipolarplatten. Zwei der typischsten Fälle sind die folgenden:
Klassischer Fall 1: Oberflächenbeschichtung
Dabei wird auf der einen Seite der Bipolarplatte Platin und auf der anderen Seite MMO (Mischmetalloxid) galvanisiert.
Klassischer Fall 2: Doppelte Tiefenkanäle
Dabei werden auf derselben Seite der Bipolarplatte zwei unterschiedlich tiefe Kanäle geätzt. Beträgt die Gesamtdicke der Bipolarplatten beispielsweise 2.0 mm, können auf der einen Seite Kanäle mit Tiefen von 0.6 mm und 0.4 mm und auf der anderen Seite ein 0.5 mm tiefer Kanal geätzt werden.
TMN investiert jährlich in die Forschung zur Herstellung von Bipolarplatten. Die Fertigungstechnologie entwickelt sich parallel zur Weiterentwicklung der Bipolarplatten und bietet zuverlässige technische Unterstützung für Ihre Forschung und Entwicklung. Wenn Sie im Bereich der Bipolarplattenforschung tätig sind und technische Unterstützung benötigen, hinterlassen Sie uns bitte eine Nachricht. Wir werden uns schnellstmöglich mit Ihnen in Verbindung setzen, um Ihnen optimale Lösungen und umfassende technische Unterstützung zu bieten.
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