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.