Bipolarplatte

Metallische Bipolarplatten sind ein wichtiges Element der in Fahrzeugen eingesetzten Brennstoff­zellen. Für die Zukunft der Brennstoff­zellen-Technologie könnten sie daher eine große Rolle spielen. Der Beitrag erklärt, warum das so ist, welche Vorteile Bipolarplatten noch haben und welchen Einsatzzwecken sie im Rahmen der immer beliebter werdenden Brennstoff­zellen-Technologie dienen.

Definition Bipolarplatte

Was ist eine Bipolarplatte?

Bipolarplatten sind ein Schlüsselelement von Wasserstoff-Brennstoff­zellen und Direktmethanol-Brennstoff­zellen. Während die Brennstoff­zellen zu Stapeln – sogenannten Stacks – geschichtet das wichtigste Element des Brennstoff­zellensystems bilden, erfüllen die Platten als integrierte Bauteile der Zellen verschiedene bedeutsame Aufgaben. So sind sie nicht nur für die elektrische Verbindung der Brennstoff­zellen und die Verteilung der Gase über die Plattenfläche, sondern auch für die Gastrennung zwischen angrenzenden Zellen, die Kühlung und die Dichtung nach außen zuständig.^[1]

Die Bedeutung von Bipolarplatten für Brennstoff­zellen

Warum ist die Bipolarplatte für Brennstoff­zellen so wichtig?

Der Bipolarplatten Aufbau sieht wie folgt aus: Wie die Bezeichnung "bi" schon sagt, dient die Bipolarplatte als Trägerplatte für die zwei Pole der Brennstoff­zelle. Bei diesen Polen handelt es sich um die negativ geladene, H2-führende Anodenplatte sowie die positiv geladene, O2-führende Kathodenplatte.^[1] Als Herzstück der Brennstoff­zelle spielt die Bipolarplatte also die zentrale Rolle bei der Umsetzung von Wasserstoff (H2) mit Sauerstoff (O2) aus der Luft zu Wasser.^[2]

Brennstoff­zellen verfügen über zahlreiche im Stack angeordnete Membran-Elektroden-Einheiten, die elektrische Leistung erzeugen. Zwischen jeweils zwei dieser Einheiten in der Brennstoff­zelle befindet sich eine Bipolarplatte.^[1]

Bipolarplatten Funktion

Welche Funktion hat die Bipolarplatte?

Die Bipolarplatte in der Brennstoff­zelle erfüllt mehrere wichtige Funktionen. Zum einen sorgt sie für die physikalisch sowie elektrisch leitende Verbindung zwischen der Anode einer Zelle mit der Kathode ihrer Nachbarzelle. Hinzu kommt die Aufgabe der Bipolarplatte, die bei der Reaktion entstehenden Gase O2 und H2 in die sogenannte Reaktionszone zu leiten. Für diesen Zweck verfügen die Platten über Strömungsprofile, die bei ihrer Herstellung beiderseits in die Platten eingefräst oder eingepresst wurden. So kann auf der einen Seite der Platte Luft zugeführt werden und auf der anderen Seite Wasserstoff strömen. Darüber hinaus regeln Bipolarplatten die Abfuhr von Wasserdampf sowie die Abgabe von elektrischer und thermischer Energie. Damit erfüllen die Platten gleich drei Funktionen: die Gasversorgung, die Kühlung und die elektrische Anbindung in der Brennstoff­zelle.^[1]

Vorteile von Bipolarplatten

Was sind die Vorteile der Bipolarplatten?

Genau wie die Membran-Elektroden-Einheiten sind Bipolarplatten unerlässliche Bestandteile von Brennstoff­zellen. Neben der Zufuhr von Wasser- und Sauerstoff sind die Platten für die Wasserabfuhr und die Kühlung zuständig. Außerdem nehmen sie die abgegebenen Elektronen auf der Wasserstoffseite auf und führen sie – nachdem sie im Antrieb ihre Aufgabe erfüllt haben – auf der Sauerstoffseite erneut zu.^[3]

Große Vorteile von Bipolarplatten sind also, dass sie das bei der Reaktion anfallende Wasser zuverlässig abtransportieren und auch die Reaktionswärme auf effiziente Art und Weise abführen. Außerdem verteilen sie die Reaktionsgase – also H2 und O2 – gleichmäßig und leiten sie der Katalysatorschicht zu. Hinzu kommt, dass die Platten den während der Reaktion entstehenden Strom innerhalb des Stacks von Zelle zu Zelle leiten.^[2]

Herstellung von Bipolarplatten

Aus welchen Materialien werden die Bipolarplatten hergestellt?

Damit die Bipolarplatten die oben aufgeführten Anforderungen erfüllen können, müssen sie aus ganz bestimmten Materialien gemacht sein. Die wichtigste Materialanforderung ist eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit, die sich auch im Rahmen der elektrochemischen Vorgänge in der Brennstoff­zelle nicht wesentlich verringert.^[3] Daher werden die Platten aus Grafit, Grafit‐Polymer‐Compound, (beschichtetem) Metall oder aber Keramik hergestellt.

Die verschiedenen Materialien bringen unterschiedliche Eigenschaften und Vorteile für die Funktionalität der Platten mit sich. So wird metallischen Bipolarplatten häufig eine bessere Eignung unterstellt als Platten aus Grafit. Der Grund: Sie wiegen nicht nur weniger, sondern haben auch ein geringeres Volumen und zudem eine bessere Kaltstartfähigkeit. Darüber hinaus würden die Kosten für metallische Bipolarplatten bei hohen Stückzahlen deutlich niedriger ausfallen als bei grafitischen Platten. Letztere eignen sich allerdings besser, wenn man darauf abzielt, eine höchstmögliche Lebensdauer von mehr als 40.000 Stunden zu erreichen.^[1]

Verwendung von Bipolarplatten

Wo werden Bipolarplatten angewandt?

Nachhaltige, nicht fossile Energieträger spielen für die Strom­versorgung der Zukunft eine immer wichtigere Rolle. Leider unterliegt die Stromgewinnung aus Wind- und Sonnenenergie häufig wetterbedingten Schwankungen, weshalb er mittel- und langfristig verschiedener Mittel der Zwischenspeicherung bedarf.^[4]

Eine Möglichkeit der Stromspeicherung stellen Direktmethanol- und Wasserstoff-Brennstoff­zellen dar. Diese wandeln nachhaltige Brennstoffe, zum Beispiel Wasserstoff, in elektrische Energie um. Gerade bei mobilen Anwendungen wird die Brennstoff­zelle immer beliebter und kommt zum Beispiel bereits im Bereich Fahrzeugbau und in der Energieversorgung von Gebäuden (Kraftwärmekopplung) zum Einsatz. So werden leistungsfähige Brennstoff­zellen beispielsweise in PKWs, LKWs, Zügen und Schiffen verwandt. Auch in unabhängigen Strom­versorgungsanlagen, zum Beispiel für Datacenter, spielen Brennstoff­zellen eine immer wichtigere Rolle.^[4]

Damit sich diese Technologie – und damit eine nachhaltige Versorgung mit ausreichend Strom – durchsetzt, müssen Bipolarplatten als funktionelles Schlüsselelement von Brennstoff­zellen erforscht und weiterentwickelt werden.^[4] Forschungsbedarf gibt es zum Beispiel in der serientauglichen und preiswerten Herstellung der Bipolarplatten. Der Grund: Noch machen die Bipolarplatten einen Großteil des Gewichts von Brennstoff­zellen aus. Außerdem sind sie für bis zu 45 Prozent der Produktionskosten der Zellen verantwortlich. Würden Bipolarplatten dagegen serienmäßig und in hohen Stückzahlen gefertigt, wäre das Einsparpotenzial enorm.^[1]

Fazit

Bipolarplatten sind ein wichtiges Element von Brennstoff­zellen und dienen als Trägerplatte für beide Pole der Zellen. Damit spielen sie eine zentrale Rolle für die Umsetzung von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser. Da die Brennstoff­zellen-Technologie gerade für mobile Anwendungen immer beliebter wird und zum Beispiel bereits im Fahrzeugbau zum Einsatz kommt, bieten Forschungen rund um die Möglichkeiten zur Herstellung kostengünstiger Bipolarplatten auch Potenziale für die Gewinnung nachhaltigen Stroms.