Bipolarplatten: Das „Rückgrat“ und die „Autobahnen“ der Brennstoffzellen

In der komplexen und vielschichtigen inneren Welt eines BrennstoffzelleWenn die Membran-Elektroden-Einheit das „Herzstück“ ist, das für die Stromerzeugung verantwortlich ist, dann Bipolarplatte ist das „Rückgrat“, das die gesamte Batteriestruktur stützt, und die „Autobahn“, die den reibungslosen Fluss lebensnotwendiger Elemente gewährleistet.

Dieses scheinbar einfache Bauteil ist tatsächlich entscheidend für die Leistung, den Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels. Es handelt sich nicht nur um ein Strukturbauteil, sondern um eine Kernkomponente, die mehrere Funktionen wie Strömungsfeldverteilung, elektrische und Wärmeleitung integriert. Aus materialwissenschaftlicher Sicht hat die Entwicklung von Bipolarplatten verschiedene Phasen durchlaufen, von denen jede ihre eigenen Vor- und Nachteile mit sich brachte. Das erste weit verbreitete Material war Graphit. Graphit bietet eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und hervorragende Korrosionsbeständigkeit und eignet sich daher ideal, um den langfristigen Belastungen des sauren Milieus in einer Brennstoffzelle standzuhalten.

Graphit-Bipolarplatten sind aufgrund ihrer inhärenten Sprödigkeit jedoch anfällig für Beschädigungen bei der Verarbeitung und Montage. Um eine ausreichende Gasdichtheit zu erreichen, müssen sie zudem oft relativ dick gefertigt werden, was die volumetrische Leistungsdichte des Brennstoffzellenstapels begrenzt. Um diese Nachteile zu überwinden, wurden metallische Bipolarplatten entwickelt, vorwiegend aus Edelstahl oder Titanlegierungen. Der größte Vorteil metallischer Bipolarplatten liegt in ihrer hohen mechanischen Festigkeit und ihrer außergewöhnlichen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit. Dadurch können sie extrem dünn gefertigt werden, was zu einem kompakteren Brennstoffzellenstapel und einer höheren Leistungsdichte führt. Metalle sind jedoch in der Betriebsumgebung von Brennstoffzellen starken Korrosionsproblemen ausgesetzt. Korrodierte Platten erhöhen nicht nur den Kontaktwiderstand und verringern so den Wirkungsgrad, sondern die Auswaschung von Metallionen kann auch den Katalysator vergiften.

Daher muss die Oberfläche mit einer korrosionsbeständigen Beschichtung, beispielsweise Gold, Platin oder einer kohlenstoffbasierten Beschichtung, versehen werden, was die Herstellungskosten und die Prozesskomplexität zweifellos erhöht. In den letzten Jahren haben sich Bipolarplatten aus Verbundwerkstoffen zu einem neuen Forschungsschwerpunkt entwickelt. Diese werden typischerweise durch Mischen von leitfähigen Füllstoffen wie Graphit oder Ruß mit Polymerharzen (wie Polypropylen) hergestellt und im Spritzgussverfahren geformt. Sie vereinen die Korrosionsbeständigkeit von Graphit mit der Formbarkeit von Kunststoffen, was die Massenproduktion erleichtert und Vorteile beim Leichtbau bietet. Ihre elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit liegen jedoch im Allgemeinen zwischen denen von Graphit und Metall, was einen wichtigen Kompromiss in der aktuellen Technologie darstellt. Die Funktionsweise einer Bipolarplatte ist ein Paradebeispiel für paralleles Multitasking, und ihre Funktionen lassen sich in drei Aspekten zusammenfassen. Die Hauptfunktion besteht in der Kanalisierung der Reaktionsgase. Durch präzise gefertigte Strömungskanäle auf einer Seite, vergleichbar mit Miniatur-„Autobahnen“, wird Wasserstoff gleichmäßig zur Anodenkatalysatorschicht und Oxidationsmittel (Sauerstoff aus der Luft) zur Kathodenkatalysatorschicht geleitet, wodurch sichergestellt wird, dass die gesamte Reaktionsfläche effizient an der Stromerzeugung beteiligt ist. Gleichzeitig ist die Konstruktion dieser Strömungskanäle hochwissenschaftlich: Sie müssen eine gleichmäßige Gasverteilung gewährleisten, Totzonen vermeiden und das bei der Reaktion entstehende Wasser effektiv abführen, um ein Überfluten und damit ein Verstopfen der Kanäle zu verhindern. Die zweite Kernfunktion besteht in der Sammlung und Leitung von elektrischem Strom. Die Bipolarplatte fungiert als Stromkollektor, der den von jeder Membran-Elektroden-Einheit (Einzelzelle) erzeugten Strom sammelt und die Zellen aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit in Reihe schaltet, um letztendlich die benötigte Spannung und Leistung bereitzustellen. Die elektrische Leitfähigkeit ihres Materials bestimmt direkt die internen Widerstandsverluste in diesem Prozess. Die dritte wichtige Aufgabe ist die Wärmeableitung und das Wassermanagement.

Die Brennstoffzellenreaktion erzeugt Wärme; die Bipolarplatte, die als Wärmeleitpfad dient, muss diese Wärme schnell abführen, um den Stack in einem geeigneten Betriebstemperaturbereich zu halten. Gleichzeitig wird das an der Kathode entstehende Wasser teilweise durch den Überschussluftstrom abgeführt. Die Strömungsfeldgestaltung und die hydrophile/hydrophobe Behandlung der Bipolarplatte sind entscheidend für die effektive Wasserabfuhr. Daher bestimmt die Leistungsfähigkeit der Bipolarplatte direkt den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellen-Stacks.

Eine ideale Bipolarplatte muss ein optimales Gleichgewicht zwischen Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Dicke, Gasdurchfluss und Wassermanagement, Herstellungskosten und Lebensdauer aufweisen. Unabhängig davon, ob sie aus Graphit, Metall oder Verbundwerkstoffen gefertigt ist, bleibt das Entwicklungsziel dasselbe: die breitere Kommerzialisierung von Brennstoffzellen durch geringere Kosten und zuverlässigere Leistung zu fördern. Jeder Fortschritt in der Bipolarplattentechnologie ist somit ein bedeutender Schritt hin zur breiten Anwendung von Brennstoffzellen.