Metallische Bipolarplatten für Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (PDF)

Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) wandelt die chemische Energie des flüssigen Energieträgers Methanol effizient in elektrische Energie um. Eine Schlüsselkomponente der DMFC ist die Bipolarplatte, die die Prozessmedien der elektrochemisch aktiven Fläche der Brennstoffzelle zu- und abführt, den Anoden- vom Kathodenraum trennt und den in der Zelle erzeugten elektrischen Strom ableitet. Traditionell werden Bipolarplatten aus grafitischen Materialien gefertigt, da Grafit elektrisch leitend und stabil unter den chemischen Bedingungen der DMFC ist. Aufgrund der hohen Sprödigkeit des Grafits haben die Konstruktionen vergleichsweise große Wandstärken, woraus eine geringe Bauraumausnutzung und ein hohes Gewicht resultiert. Metallische Werkstoffe erlauben dagegen durch ihre mechanischen Eigenschaften deutlich kompaktere Bipolarplatten. Problematisch ist jedoch die begrenzte Korrosionsbeständigkeit der meisten metallischen Werkstoffe. Die wenigen korrosionsbeständigen metallischen Werkstoffe sind entweder zu teuer oder bilden eine Passivierungsschicht aus, welche den Kontaktwiderstand und damit die elektrischen Verluste erhöht.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer volumen- und gewichtsreduzierten Bipolarplatte aus korrosionsbeständigem Blechmaterial und einer preisgünstigen Beschichtung die den Kontaktwiderstand reduziert.
Zunächst wurde in Grundlagenuntersuchungen der Einfluss von Metall-Ionen aus nicht inerten Werkstoffen auf die DMFC bewertet. Dabei konnte zum einen gezeigt werden, dass metallische Kontaminationen der Anodenflüssigkeit im ppb-Bereich die DMFC signifikant schädigen und zum anderen, dass Eisen- und Nickel-Ionen stärker schädigen als Chrom-Ionen.
Folgend wurde eine Nickelbasislegierung als korrosionsstabiler Werkstoff für die
DMFC-Bipolarplatte identifiziert und damit eine metallische Bipolarplatte für DMFCs entwickelt. Diese per Hydroumformung hergestellte Bipolarplatte spart gegenüber grafitischen Bipolarplatten 30 % Bauraum und 50 % Gewicht ein. Durch die Entwicklung einer einzigartigen partiellen Beschichtung mit laserauftragsgeschweißten Goldpunkten konnte der Kontaktwiderstand der entwickelten metallischen Bipolarplatte um den Faktor fünf reduziert und die maximale elektrische Leistung um 30 % gesteigert werden. Da der Goldeinsatz dabei lediglich 1 % einer vollflächigen Beschichtung beträgt, ist diese partielle Beschichtung besonders materialsparend.
Abschließend wurde die Funktionalität dieser neuartigen metallischen Bipolarplatte in Langzeittests nachgewiesen. So erfüllt die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte metallische Bipolarplatte alle Voraussetzungen für den Einsatz in portablen Anwendungen der DMFC, womit schließlich ein entscheidender Schritt zur Erlangung der Marktreife der DMFC vollzogen werden konnte.