Graphit-Bipolarplatteist eine Schlüsselkomponente elektrochemischer Anlagen wie Brennstoffzellen und Elektrolyseuren und besteht üblicherweise aus hochreinem Graphit. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei elektrochemischen Reaktionen und dient hauptsächlich der Stromleitung, der Verteilung von Reaktionsgasen (wie Wasserstoff und Sauerstoff) und der Trennung von Reaktionsbereichen. Da ihre beiden Seiten die Anode und Kathode benachbarter Einzelzellen berühren und eine „bipolare“ Struktur bilden (eine Seite dient als Anodenströmungsfeld, die andere als Kathodenströmungsfeld), wird sie als Bipolarplatte bezeichnet.
Die Struktur der Graphit-Bipolarplatte
Graphit-Bipolarplatten bestehen üblicherweise aus folgenden Teilen:
1. Strömungsfeld: Die Oberfläche der Bipolarplatte ist mit einer komplexen Strömungsfeldstruktur ausgestattet, um das Reaktionsgas (wie Wasserstoff, Sauerstoff oder Luft) gleichmäßig zu verteilen und das erzeugte Wasser abzuführen.
2. Leitfähige Schicht: Graphitmaterial selbst hat eine gute Leitfähigkeit und kann Strom effizient leiten.
3. Dichtungsbereich: Die Kanten von Bipolarplatten sind üblicherweise mit Dichtungsstrukturen versehen, um Gaslecks und das Eindringen von Flüssigkeiten zu verhindern.
4. Kühlkanäle (optional): Bei einigen Hochleistungsanwendungen können Kühlkanäle in die Bipolarplatten integriert werden, um die Betriebstemperatur der Geräte zu regulieren.
Funktionen von Graphit-Bipolarplatten
1. Leitfähige Funktion:
Als Elektrode elektrochemischer Geräte ist die Bipolarplatte für die Sammlung und Leitung von Strom verantwortlich, um eine effiziente Abgabe elektrischer Energie zu gewährleisten.
2. Gasverteilung:
Durch die Strömungskanalkonstruktion verteilt die Bipolarplatte das Reaktionsgas gleichmäßig an die Katalysatorschicht und fördert so die elektrochemische Reaktion.
3. Trennung der Reaktionszonen:
In einer Brennstoffzelle oder einem Elektrolyseur trennen Bipolarplatten die Anoden- und Kathodenbereiche und verhindern so die Vermischung von Gasen.
4. Wärmeableitung und Entwässerung:
Bipolarplatten helfen dabei, die Betriebstemperatur der Geräte zu regulieren und Wasser oder andere Nebenprodukte, die bei der Reaktion entstehen, abzuleiten.
5. Mechanische Unterstützung:
Bipolare Platten bieten der Membranelektrode strukturelle Unterstützung und gewährleisten so die Stabilität und Haltbarkeit des Geräts.
Warum sollte man Graphit als Material für Bipolarplatten wählen?
Materialeigenschaften von Graphit-Bipolarplatten
●Hohe Leitfähigkeit:
Der Volumenwiderstand von Graphit beträgt nur 10-15 μΩ·cm (besser als 100-200 μΩ·cm vonMetallbipolarplatte) .
●Korrosionsbeständigkeit:
In der sauren Umgebung von Brennstoffzellen (pH 2–3) tritt nahezu keine Korrosion auf und die Lebensdauer kann mehr als 20.000 Stunden erreichen.
●Leicht:
Die Dichte beträgt etwa 1,8 g/cm3 (7–8 g/cm3 bei metallischen Bipolarplatten), was sich positiv auf die Gewichtsreduzierung bei Fahrzeuganwendungen auswirkt.
●Gasbarriereeigenschaft:
Die dichte Struktur des Graphits kann das Eindringen von Wasserstoff wirksam verhindern und bietet eine hohe Sicherheit.
●Einfache Verarbeitung:
Graphitmaterial lässt sich leicht verarbeiten und ermöglicht die Anpassung komplexer Strömungskanaldesigns und -größen an die Anforderungen.
Wie werden Graphit-Bipolarplatten hergestellt?
Der Produktionsprozess vonGraphit-Bipolarplattebeinhaltet Folgendes:
●Rohstoffaufbereitung:
Verwenden Sie hochreines (> 99,9 %) natürliches Graphit oder künstliches Graphitpulver.
Fügen Sie Harz (z. B. Phenolharz) als Bindemittel hinzu, um die mechanische Festigkeit zu erhöhen.
●Formpressen:
Das gemischte Material wird in eine Form gespritzt und bei hoher Temperatur (200–300 °C) und hohem Druck (> 100 MPa) gepresst.
●Graphitierungsbehandlung:
Durch Erhitzen auf 2500–3000 °C in einer inerten Atmosphäre verflüchtigen sich nicht kohlenstoffhaltige Elemente und es bildet sich eine dichte Graphitstruktur.
●Läuferverarbeitung:
Verwenden Sie CNC-Maschinen oder Laser, um schlangenförmige, parallele oder ineinandergreifende Kanäle (Tiefe 0,5–1 mm) auszuarbeiten.
●Oberflächenbehandlung:
Durch die Imprägnierung mit Harz oder einer Metallbeschichtung (z. B. Gold, Titan) wird der Kontaktwiderstand verringert und die Verschleißfestigkeit verbessert.
Welche Anwendungen gibt es für Graphit-Bipolarplatten?
1. Brennstoffzelle:
- Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC)
- Festoxidbrennstoffzelle (SOFC)
- Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC)
2. Elektrolyseur:
- Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse
- Chlor-Alkali-Industrie
3. Energiespeichersystem:
- Flow-Batterie
4. Chemische Industrie:
- Elektrochemischer Reaktor
5. Laborforschung:
- Prototypenentwicklung und Erprobung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren
Zusammenfassen
Graphit-Bipolarplattensind Kernkomponenten elektrochemischer Anlagen wie Brennstoffzellen und Elektrolyseuren und erfüllen vielfältige Funktionen wie Leitfähigkeit, Gasverteilung und Trennung von Reaktionsbereichen. Mit der Entwicklung sauberer Energietechnologien werden Graphit-Bipolarplatten zunehmend in Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnologie, Energiespeichersystemen, der chemischen Wasserstoffproduktion und anderen Bereichen eingesetzt.
Veröffentlichungszeit: 31. März 2025