Bipolarplatten (BPP) zählen zu den Bauteilen in einem Brennstoffzellenstapel, welche aufgrund der Vielzahl an Funktionen teils mehrschichtige Geometriebereiche durch eine unterschiedliche Kanalstruktur des Anoden-, Kathoden- und Kühlmittelflussfeldes aufweisen können. Eine der Hauptfunktion von Bipolarplatten (BPP) besteht darin, die Medien Wasserstoff, Sauerstoff und Kühlmittel durch die Kanalstruktur so zu- und abzuführen, damit eine homogene Verteilung der Medien erreicht wird. Jede BPP besteht aus zwei miteinander gefügten Halbplatten (anodenseitige und kathodenseitige Halbplatte) wobei die jeweiligen Kanalstrukturen des Anoden-, Kathoden- und Kühlmittelflussfeldes strukturelle Unterschiede und somit mehrschichtige Geometriebereiche aufweisen können. Um die Anforderungen an eine BPP zu erfüllen, sind sowohl verschiedene konstruktive Ansätze als auch Materialen kombinierbar, um das Bauteil unter anderem in der Leistungsfähigkeit, der Lebensdauer oder dem Gewicht zu optimieren.
Materialarten
Aufgrund einer Vielzahl von Basismaterialen und Materialkombinationen stehen verschiedene Fertigungsverfahren zur Auswahl, um die von den Anwendungsbereichen abhängigen Zielvorgaben zu realisieren. Eine Unterscheidung der gängigen BPP-Materialarten ist in der folgenden Tabelle abgebildet.
| Hauptgruppe | Untergruppe | Beispiele |
|---|---|---|
| nichtporöse Graphitplatten | Reingraphit | |
| metallische Platten | beschichtet | Grundmaterial: Edelstahl Beschichtung: Chrom-Nickel |
| unbeschichtet | Titan, Edelstahl (hochlegiert) | |
| Kompositplatten | metallbasiert | Komposit aus: porösem Graphit, Polykarbonat, Edelstahl |
| kohlenstoffbasiert | Matrix: thermoplastisches Polypropylen Füllstoff: Graphiteflakes, Karbonfasern |
Flussfeldarten
Eine wesentliche Funktion der Bipolarplatte übernimmt das Flussfeld (Flowfield), welches die homogene Verteilung der Medien, die elektrische Kontaktierung zur MEA und den auftretenden Druckverlust beeinflusst. Die Struktur des Flussfeldes, welches meist aus Einzelkanälen besteht, bestimmt das Strömungsverhalten der Medien (O2, H2 und des Kühlmittels) und den Abtransport des kondensierten Produktwassers.
Herstellung am Beispiel von metallischen Bipolarplatten
Die Herstellung von Bipolarplatten umfasst die Produktionsschritte Umformen, Trennen, Fügen und Beschichten, wobei unterschiedliche Prozessketten realisierbar sind. Ein einheitlicher Standard zur Reihenfolge der einzelnen Schritte ist derzeit nicht etabliert. Allerdings dient diese Reihenfolge häufig als Referenz. Bei der Planung der Produktionskette müssen die Materialauswahl, die Vor- und Nachteile der jeweiligen Technologien sowie deren Potenziale zur Hochskalierung sorgfältig berücksichtigt werden.
Anforderungen
Bipolarplatten müssen hohe Anforderungen hinsichtlich deren mechanischen und chemischen Eigenschaften erfüllen, welche durch die verwendeten Materialen und konstruktive Auslegung bestimmt werden. Wesentliche Anforderungen an BPPs sind:
- Mechanische Stabilisierung der MEA-Komponenten und somit der Einzelzelle bzw. des BZ-Stapels
- Gewährleistung der Dichtheit gegenüber der Betriebsmedien (Luft, Wasserstoff, Kühlmedium)
- Homogene Verteilung der Reaktanten über die Aktivfläche
- Abführung der Reaktionswärme mittels definierter Kühlung der Aktivfläche sowie thermische Beständigkeit
- Elektrische Kontaktierung der Anoden- zur Kathodenseite sowie hohe elektrische Leitfähigkeit
- Geringes Komponentengewicht und hohe Stabilität bei niedrigen Material- und Herstellungskosten
Die Wahl des Basismaterials und der Beschichtung untersteht beispielweise Kriterien wie Kosten, Korrosionsbeständigkeit, Gewicht, der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit.
Herausforderungen
Bipolarplatten haben einen wesentlichen Einfluss auf die Effizienz, Langlebigkeit und die Kosten von PEM-Brennstoffzellen. Beispielhafte Herausforderungen sind bei Bipolarplatten:
- die Reduzierung der Bipolarplattendicke und des Gewichts und Erhöhung der Leistungsdichte
- die Entwicklung von serientauglichen Beschichtungen für metallische Bipolarplatten
- die Fertigung unter Einhaltung der Genauigkeitsanforderung (Ebenheit und Planparallelität)
In Abhängigkeit des verfügbaren Bauraumes wird zwischen einem Carbon- oder Metallbasismaterial gewählt, welches maßgeblich Zelldicken und somit volumetrische Leistungsdichten beeinflusst. Aufgrund der geringeren Zelldicken von metallischen Bipolarplatten sind höhere volumetrische Leistungsdichten zu erwarten. Im Gegensatz zu Carbon-basierten Bipolarplatten bestehen höhere Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit. Ein Vorteil bei Carbon-basierten Bipolarplatten ist die individuellere Gestaltbarkeit der Vor- und Rückseite der Bipolarplatten. Dennoch sind metallisch-basierte Bipolarplatten im Fokus der Großserienfertigung.
Diese beispielhaften Herausforderung sowie weitere sind Gegenstand der Forschung und werden zum Teil im cH2ance Projektkonsortium näher betrachtet.
