Bipolarplatten sind ein Kernelement von Brennstoffzellenstacks. Sie könnten ein Hebel für den Durchbruch der Brennstoffzelle sein. Warum das so ist, haben wir kompakt erklärt. (Update)
Bipolarplatten sind eine strategische Komponente der Brennstoffzellentechnologie.
Schaeffler (Bernd Kammerer)
Bipolarplatten sind Schlüsselkomponenten für Brennstoffzellen, die zu Stapeln (Stack) geschichtet den Kern eines Brennstoffzellensystems bilden. Die Platten "erfüllen als integrierte Baugruppe die folgenden Aufgaben: elektrische Verbindung der Zellen, Gasverteilung über die Fläche der Platte, Gastrennung zwischen angrenzenden Zellen, Dichtung nach außen und Kühlung", so die Springer-Autoren Jörissen und Garche im Kapitel Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEFC) – Stand und Perspektiven.
Die Brennstoffzelle wird in der Regel durch eine Vielzahl im Stack angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten eines Brennstoffzellenstapels ist jeweils eine Bipolarplatte angeordnet.
Dreifach-Funktion: Gasversorgung, Kühlung, elektrische Anbindung
Die Bipolarplatte hat in einer Mehrfachzellen- beziehungsweise Stapel-Konfiguration vor allem die Aufgabe, die Anode einer Zelle mit der Kathode der benachbarten Zelle physikalisch und elektrisch leitend zu verbinden. Daneben ist die Bipolarplatte dafür zuständig, die Reaktionsgase in die Reaktionszone zu leiten. Dazu sind in die Platten auf beiden Seiten Strömungsprofile (Flowfield) gefräst oder eingepresst, durch die auf der einen Seite Wasserstoff strömt und auf der anderen Seite Luft zugeführt wird. Eine Bipolarplatte besteht aus den beiden Polen (daher der Name bipolar) einer einzelnen Brennstoffzelle: der wasserstoffführenden Anodenplatte (der negative (-)-Pol) und der Kathodenplatte (der positive (+)-Pol) für die Zuführung der Reaktionsluft. Die Platten regeln auch die Abfuhr von Wasserdampf beziehungsweise Abgabe von thermischer und elektrischer Energie.
Die Bipolarplatte muss laut Springer-Autor Hartmut Frey folgende Eigenschaften erfüllen, die er im Kapitel Brennstoffzellen beschreibt:
- Chemische Stabilität gegen feuchte, oxidierende und reduzierende Bedingungen,
- Gasdichtigkeit,
- Hohe elektrische Leitfähigkeit,
- Geringe Übergangswiderstände,
- Gute Planparallelität (<20 µm)
- Niedrige Kosten (Fertigung und Material).
Bipolarplattenmaterialien: Metall, Grafit, Composit
Es gibt grundsätzlich drei verschiedene Möglichkeiten, oben genannte Anforderungen zu erfüllen. So können Bipolarplatten aus Grafit, (beschichtetem) Metall, Grafit‐Polymer‐Compound oder Keramik gefertigt sein, wie die Springer-Autoren um Manfred Klell im Kapitel Brennstoffzellen aus dem Buch Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik erläutern. Demnach sollen metallische Bipolarplatten zahlreiche Vorteile gegenüber graphitischen Platten aufweisen, wie geringeres Gewicht, geringes Volumen und bessere Kaltstartfähigkeit. Zudem könnten bei hohen Stückzahlen in Serienproduktion die Kosten mit metallischen Bipolarplatten deutlich gesenkt werden. Graphitische Platten bieten Vorteile, wenn die Erzielung höchster Lebensdauern von > 40.000 h gefordert sei.
Aufbau eines bipolaren Brennstoffzellenstacks. Abb. 6.16 aus: Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik, Seite 167.
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Ziel: kostengünstige und serientaugliche Fertigung
Forschungsbedarf bei Bipolarplatten besteht unter anderem in der kostengünstigen und serientauglichen Fertigung der Platten. Hintergrund ist, dass die Bipolarplatten einen großen Gewichtsanteil der Brennstoffzelle ausmachen und bis zu 45 % der Produktionskosten einer Zelle verursachen. In hohen Stückzahlen könnten sie ein erhebliches Einsparpotenzial bieten. Für einen durchschnittlichen Pkw mit Brennstoffzellenantrieb werden rund 400 Bipolarplatten benötigt, was 800 Halbplatten entspreche, so der Artikel Bipolarplatten simulationsgestützt fertigen. Schätzungen gingen allein in Europa von bis zu zehn Millionen Brennstoffzellenfahrzeugen jährlich im Jahr 2040 aus. Das entspreche in etwa bis zu acht Milliarden Halbplatten pro Jahr. Daher sei die Umsetzung von kurzen Taktzeiten zur Realisierung großer Stückzahlen bei gleichzeitig hoher Qualität zentral.
Das Fraunhofer IPT will beispielsweise mithilfe der Warmumformung die Herstellungskosten senken und damit die Großserienfertigung von Brennstoffzellen ermöglichen. Ferner untersuchen Forscher, inwiefern sich der Einfluss verschiedener Flowfield-Geometrien auf Impedanz und Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen auswirkt. Der US-amerikanische Automobilzulieferer Dana hat indes eine kostengünstig und in hoher Stückzahl produzierbare metallische Bipolarplatte entwickelt, die die Kosten von Brennstoffzellenstacks reduzieren soll. Wie eine Graphit- statt einer Goldbeschichtung Kosten von Bipolarplatten reduzieren kann, untersucht das Projekt "miniBIP II" und wie die Qualifizierung von Kleb- und Dichtstoffen zur Fertigung von Bipolarplatten erfolgen kann, erklärt das Fraunhofer IFAM. Für eine effiziente Herstellung von Bipolarplatten hat die German Fuel Cell Cooperation (GFC) eine integrierte, skalierbare Fertigungslinie entwickelt, eine hochratenfähige Herstellung der Platten will das Verbundprojekt KontiBip erreichen. Und mit dem Hohlprägewalzen sollen sich pro Minute bis zu 120 Bipolarplatten-Halbplatten fertigen lassen, wie das Fraunhofer IWU angibt.
Eine Frage der Reinigung
Wie gut Bipolarplatten die Aufgaben Medienversorgung, elektrische Anbindung und Kühlung erfüllen, hängt auch unter anderem von der Sauberkeit des Materials sowie der gefügten Platte ab, wie der Artikel Wie lassen sich Bipolarplatten am besten reinigen? aus der JOT 9-2021 erläutert. Eine Reinigung verhindert zum Beispiel, dass Verunreinigungen zwischen Anode und Kathode eingeschlossen werden, was letztendlich zu einer Verringerung des Wirkungsgrads führen würde. Für einen effizienten Workflow sollte die Reinigung vor dem Fügen und/oder dem Beschichten in Fertigungslinien integriert werden.
Fortschritte bei der Leistungsdichte
Grundsätzliche Ziele bei der Konstruktion von Bipolarplatten sind also eine Gewichts- und Bauraumreduzierung sowie die Erhöhung der Leistungsdichte. Diese Kriterien sind insbesondere für den mobilen Einsatz von Brennstoffzellen in Fahrzeugen wichtig. In puncto Leistungsdichte hat zum Beispiel Schaeffler jüngst Fortschritte erzielt. So soll eine neue metallische Bipolarplatte die Leistungsdichte in Brennstoffzellenstacks um rund 20 % gegenüber der Vorgängerversion erhöhen. Die Bipolarplatte "macht bis zu 80 % des Stackgewichts und bis zu 65 % des Stackvolumens aus und ist daher für die Leistungsdichte enorm wichtig", erläutert der Zulieferer im Artikel PEM-Brennstoffzellenanwendung – Von der Komponente zum System. Das Joint-Venture "Innoplate" von Schaeffler und Symbio hat kürzlich mit der Produktion von Bipolarplatten im elsässischen Werk Haguenau begonnen. Die Fertigungskapazität von anfänglich vier Millionen Bipolarplatten soll bis 2030 voraussichtlich auf 50 Millionen im Jahr steigen.
