Brennstoffzellentechnologien haben die Brennstoffzellenindustrie seit geraumer Zeit im Sturm erobert. Doch was genau ist eine Brennstoffzelle, und wie ist sie aufgebaut? Brennstoffzellenstapel in bipolare Platten Und warum ist das so wichtig? Brennstoffzellen sind elektrochemische Geräte, die Wasserstoff und Sauerstoff in Strom umwandeln und dabei Wasser als einziges Abfallprodukt erzeugen. Es entstehen keine Umweltbelastungen – nur saubere Energie. Da der Fokus auf der Minimierung des CO₂-Fußabdrucks immer weiter zunimmt, steigen auch die Perspektiven für Brennstoffzellen zur Stromerzeugung.
Aufbau von Brennstoffzellenstapeln
Eine einzelne Brennstoffzelle kann nur eine geringe Energiemenge erzeugen. Genau dafür ist der Brennstoffzellenstapel konzipiert. Er besteht aus mehreren übereinander angeordneten Zellen und erzeugt genügend Energie für verschiedenste Anwendungen, von Elektroautos bis hin zu Notstromsystemen. Um beispielsweise galvanische Batterien aufzuladen, kann man diese übereinander stapeln. Brennstoffzellenstapel Das Bauen von Batterien bewirkt dasselbe, nur dass es effizienter ist.
Der Stack ist im Grunde das Herzstück des Stromversorgungssystems. Jede Zelle im Stack hat eine Anode, eine Kathode und einem Elektrolyten. Dennoch ist es die Konstruktion des Stapels, die die Stromerzeugung im großen Maßstab ermöglicht, und zu diesen Strukturen gehören die Bipolarplatten.
Die Rolle von Bipolarplatten in Brennstoffzellen
Was sind bipolare Platten?
Es gibt kaum jemanden, der die Tatsache bestreitet, dass bipolare Platten Sie sind die Arbeitspferde der Brennstoffzellen, erhalten aber nicht immer die ihnen gebührende Anerkennung. Sie befinden sich zwischen den einzelnen Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels, und das ist eine große Anzahl. Diese Platten tragen nicht nur zur gleichmäßigen Verteilung gasförmiger Brennstoffe wie Wasserstoff und Sauerstoff auf den Zelloberflächen bei, sondern sammeln auch mehr elektrische Energie.
Hauptfunktionen von Bipolarplatten
- Gasverteilung Diese Komponenten gewährleisten, dass jede aktive Seite der Zelle (Anode oder Kathode) ausreichend Wasserstoff bzw. Sauerstoff erhält und somit die Reaktion gleichmäßig abläuft.
- Aktuelle Kollektion: Diese Platten sind auch integraler Bestandteil der elektrischen Verbindungen, da sie es ermöglichen, den Strom von einer Zelle zu einer anderen Zelle zu leiten oder zu übertragen.
- Wärmemanagement: Dabei entsteht eine beträchtliche Wärmemenge, und Bipolarplatten kommen beim Wärmemanagement zum Einsatz, um die Effizienz zu verbessern.
- Strukturelle Unterstützung Nicht zuletzt bieten sie die notwendige Unterstützung, um den Stack und alle seine Komponenten zusammenzuhalten.
Materialauswahl für bipolare Platten
Das verwendete Material für bipolare Platten ist einer der Faktoren, die die Funktionseffizienz und Lebensdauer einer Brennstoffzelle maßgeblich beeinflussen. Betrachten wir nun die drei häufigsten Typen.
Graphit-Bipolarplatten
Bei Brennstoffzellen war Graphit das erste Material für Bipolarplatten – warum? Weil der größte Nachteil einer Brennstoffzelle, der seltenere der beiden Verbindungstypen, die Brennstoffzellenkorrosion aufgrund eines sehr sauren Milieus ist.
Vorteile und Nachteile von Graphit-Bipolarplatten
Von allen Leistungs- und Herstellungseigenschaften von Graphit sind die thermische und elektrische Leitfähigkeit sowie die Partikelgröße wohl am wichtigsten. Allerdings gibt es auch Nachteile. Die Sprödigkeit von Graphitplatten erfordert eine aufwendige Bearbeitung, die oft zu fragilen und kostspieligen Strukturen führt. Obwohl die Korrosionsbeständigkeit bemerkenswert gut ist, sind die mechanischen Eigenschaften tendenziell weniger überzeugend.
Metallische Bipolarplatten
Bipolare Metallplatten finden breite Anwendung, insbesondere aufgrund der gestiegenen Nachfrage nach ihrer Festigkeit und Langlebigkeit. Darüber hinaus sind sie deutlich dünner als Graphitplatten, was einen kompakten und leichten Brennstoffzellenstapel ermöglicht.
Vorteile und Nachteile von Bipolarplatten aus Metall
Ein weiterer Nachteil von Metallplatten ist ihr vergleichsweise höherer mechanischer Festigkeitsvorteil sowie ihre bessere Ionen- und Elektronenleitfähigkeit, die jedoch durch Korrosionsprobleme kompensiert werden können. Um dem entgegenzuwirken, wurden Beschichtungen entwickelt, die teilweise auch von Herstellern eingesetzt werden, was jedoch unnötige Mehrkosten verursacht. Solche Beschichtungen können die Kosten sogar erhöhen und mitunter die Leistung beeinträchtigen.
Bipolare Verbundplatten: Ein Gleichgewicht zwischen Metall und Graphit
Verstärkte Panoramaplatten vereinen die Vorteile beider Materialien. Sie bestehen aus metallischen und nichtmetallischen Komponenten und sind daher leicht, stabil und rostfrei.
Leistung und Vorteile
Verbundplatten sind haltbarer als Graphit und Metalle und korrosionsbeständiger. Außerdem sind sie einfacher und kostengünstiger herzustellen, was sie zu einer vielversprechenden Option für zukünftige Brennstoffzellenkonstruktionen macht.
Konstruktionsüberlegungen für Bipolarplatten
Bei der Entwicklung von Bipolarplatten sind bestimmte ingenieurtechnische Prinzipien zu beachten. Diese sollten angewendet werden, um Leistung und Effizienz maximal zu steigern.
Strukturelle Anforderungen
Beim Stapeln der Platten ist ein Biegen erforderlich, gleichzeitig dürfen die Platten aber nicht zu sperrig sein, damit die Brennstoffzelle nicht unnötig groß wird.
Gewicht und Dicke
Die Gewichtsreduzierung von Brennstoffzellenstapeln wird durch die Verwendung dünnerer Platten ermöglicht, was insbesondere bei Elektrofahrzeugen von Bedeutung ist. Dabei müssen jedoch die Dicke und die Festigkeit berücksichtigt werden.
Strömungskanäle und Wärmemanagement
Rolle von Fluidkanälen für die Leistung
Die Fluidkanäle auf den Oberflächen der Bipolarplatten sind insbesondere für die Zufuhr und Verteilung von Gasen und Wasser innerhalb der Zelle wichtig. Einige Kanalkonstruktionen ermöglichen jedoch einen gleichmäßigen Gasfluss, was zu einer konstanten Ausgangsleistung beiträgt.
Hitze und Druck regeln
Brennstoffzellen erzeugen normalerweise zu viel Wärme, die, wenn sie nicht abgeführt wird, die häufig auftretenden Ineffizienzen – neben den Problemen mit dem Wärmemanagement allein – noch verstärkt. Bipolarplatten dienen außerdem dazu, die Wärme und die Gase, die im Inneren der Zelle Druck aufbauen, zu kontrollieren und so eine maximale Leistung zu erzielen.
Korrosionsbeständigkeit und Langlebigkeit der Bipolarplatten
Typische korrosive Bedingungen
Dies gilt insbesondere für die metallischen Bipolarplatten, bei denen Korrosion deutlichere Schäden verursacht. Das saure Milieu in der Brennstoffzelle kann die Platten mit der Zeit angreifen, was zu Leistungseinbußen und sogar zum Ausfall führen kann.
Strategien für ein langes Leben
Das Aufbringen von Schutzbeschichtungen, beispielsweise aus Graphit oder Polymeren, kann die Lebensdauer der Bipolarplatten durch Korrosionsreduzierung verlängern. Darüber hinaus sind die Hersteller stets auf der Suche nach neuen Materialien zur Verbesserung der Haltbarkeit.
Fertigungskenntnisse der Bipolarplatten
Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten, allerdings hat keines davon seine Nachteile.
Formpressen
Dieses Verfahren eignet sich besonders für Graphitplatten. Dabei wird das Material mithilfe einer Maschine unter Druck geformt. Es ist zwar effektiv, aber in der Regel zeitaufwendig und teuer.
Stempeltechniken
Durch die Verwendung dünner Metallbleche werden Metallplatten üblicherweise gestanzt – ein schnelleres und kostengünstigeres Verfahren. Allerdings erfordert das Stanzen Spezialwerkzeuge, und Fehler führen zu einem fehlerhaften Stanzprodukt.
Advances in Fertigungstechnologien
Aktuelle technologische Innovationen
In den letzten Jahren haben sich dank der Fortschritte im 3D-Druck neue Herstellungsverfahren für Bipolarplatten entwickelt. Dadurch können komplexere Muster schneller gefertigt werden, was letztendlich zu einer Kostensenkung führen kann.
3D-Druck von Bipolarplatten
Der 3D-Druck ermöglicht die Realisierung von Strukturen und Anordnungen, die mit traditionellen Fertigungsverfahren kaum möglich waren. Anstelle von Drähten lassen sich Fluidkanäle und andere Strukturen präziser herstellen.
Schwierigkeiten beim Entwurf von Brennstoffzellenstapeln in Bipolarplatten
Kostenfaktoren
Brennstoffzelle Die Systeme weisen zwar eine beeindruckende Effizienz auf, sind aber nach wie vor teuer in der Herstellung, wobei Bipolarplatten einer der Kostentreiber sind. Die Senkung der Material- und Herstellungskosten von Brennstoffzellensystemen hat daher höchste Priorität.
Skalierbarkeit und Effizienz
Mit dem technologischen Fortschritt wuchs die Nachfrage nach Brennstoffzellen, was wiederum den Ausbau der Produktionskapazitäten erforderlich machte. Die richtige Balance zwischen Effizienz und Langlebigkeit des Systems zu finden, stellt die Hersteller weiterhin vor große Herausforderungen.
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TMN verfügt über mehr als zehn Jahre Erfahrung im Außenhandel mit Schwerpunkt auf Import und Export. Die kundenspezifisch geätzten Bipolarplatten von TMN werden nach Großbritannien, in die USA, die Schweiz, nach Ungarn, Deutschland, Estland, Lettland, Tschechien, Indien und Saudi-Arabien exportiert. Diese Kunden nutzen sie für die Forschung und Entwicklung von Brennstoffzellenstapeln und Wasserelektrolyseuren. Bei Lieferung stellen wir die erforderlichen Dokumente und Konformitätsbescheinigungen (COC) für die Zollabfertigung und -prüfung bereit.
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