Die tragende Funktion von Bipolarplatten

Graphit
Graphit kontra Metall

Bipolarplatten sind Kernelemente eines jeden PEM-Brennstoffzellen-Stacks. Über sie wird die Zufuhr von Wasserstoff sowie Luft und auch die Abfuhr von Wasserdampf beziehungsweise Abgabe von thermischer und elektrischer Energie geregelt. Die Gestaltung ihres Flow-Fields hat einen wesentlichen Einfluss auf die Höhe des Wirkungsgrads des gesamten Aggregats. Dabei können sich Bipolarplatten deutlich voneinander unterscheiden – sowohl hinsichtlich ihrer Größe als auch in Bezug auf ihre Herstellungsweise.

Grundsätzlich lässt sich Folgendes feststellen: Je größer die Platten, desto höher ist die Stromstärke einer Einzelzelle, da mit ihrer Größe auch die wirksame Fläche der Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) korrespondiert. Und je mehr Wasserstoff pro Zeiteinheit umgesetzt werden kann, desto höher ist der Stromfluss.

Pro Zelle sind zwei Bipolarplatten erforderlich – auf der Anodenseite für die Wasserstoffzufuhr und auf der Kathodenseite für die Luftzufuhr. Wird nun die Anzahl der Zellen gesteigert, erhöht sich – parallel zur Verdoppelung der Plattenanzahl – auch die Spannung, da jede Einzelzelle in der Regel etwa 1 Volt erzeugt.

Neben der Medienzu- und -abfuhr sind Bipolarplatten auch für das Strom- sowie das Wärmemanagement zuständig. Die infolge der chemischen Reaktionen anfallende Wärme muss aus dem Brennstoffzellenstapel abgeführt und so weit wie möglich nutzbar gemacht werden. Und der erzeugte Strom muss mit möglichst geringen Verlusten abgeleitet werden. Gleichzeitig muss auf der Anodenseite die Membran befeuchtet und auf der Kathodenseite das Reaktionsprodukt Wasser abgeführt werden. Zudem müssen Reaktionsgase sowie Kühlmedien voneinander getrennt und alles gut abgedichtet werden.

Für all diese Aufgaben kommen unterschiedliche Materialien in Frage, die eine gute elektrische und auch thermische Leitfähigkeit besitzen und außerdem eine hohe Haltbarkeit unter den gegebenen Betriebsbedingungen gewährleisten – wahlweise hochkonzentriertes Graphit beziehungsweise Graphit-Kunststoff-Mischungen oder auch Metall.

Graphitplatten

Kohlenstoff besitzt generell eine gute elektrische Leitfähigkeit. Allerdings ist Graphit, eine Sonderform der C-Atomanordnung, sehr spröde und kann bei unvorsichtiger Handhabung (Erschütterung, ungleichmäßiges Anziehen der Schrauben) leicht zerbrechen. Trotzdem werden in der Brennstoffzellentechnik insbesondere im stationären Bereich, wo der Bauraum kein limitierender Faktor ist, häufig Graphitplatten verwendet. Bei ihnen wird das Flow-Field in der Regel per Extrusion, durch Heißpressen, Fräsen oder Spritzgießen erzeugt.

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