View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

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dichtigkeit werden durch Imprägnieren mit beispielsweise Epoxid- oder Phenolharz erreicht. Die
gewünschte Strömungsstruktur kann durch Stanzen oder Prägen in die Folie kostengünstig eingearbeitet
werden. Ein Nachteil der Graphitfolie ist die starke Anisotropie der elektronischen
und thermischen Leitfähigkeit des Materials.
Wegen der hohen Gasdichtigkeit und der mechanischen Stabilität können metallische Bipolarplatten
dünner ausgeführt werden als solche auf Basis von Graphit. Dies resultiert in einer
höheren volumetrischen und gravimetrischen Leistungsdichte eines Zellstapels mit Bipolarplatten
aus Metall. Für den Einsatz in Brennstoffzellen werden die Werkstoffe Titan, Aluminium,
Edelstahl und andere Nickel- und Eisen-basierte Legierungen favorisiert. Die Strömungsstrukturen
können durch massenfertigungstaugliche Verfahren wie Prägen, Stanzen oder Ätzen
kostengünstig in die metallischen Platten eingebracht werden.
Die Umgebungsbedingungen in Brennstoffzellen stellen hohe Anforderungen an die metallischen
Bipolarplatten. Die vorhandene Feuchte, die erhöhten Temperaturen und der geringe
pH-Wert in Kombination mit elektrischen Potentialen führen bei den meisten Metallen zu
Korrosion. Die bei der Korrosion entstehenden mehrwertigen Kationen schädigen die Membran,
indem sie dort aktive Zentren blockieren. Einige Metalle bilden Oxidschichten, die ausreichenden
Schutz gegen Korrosion bieten. Allerdings zeichnen sich diese Oxidschichten meist
durch hohe elektrische Widerstände aus, die einen inakzeptablen Leistungsverlust bedingen.
Um die hohen Widerstände zu vermeiden, konzentriert sich die Forschung auf zwei unterschiedliche
Ansätze. Zum einen wird versucht, Materialien zu finden, die unter Brennstoffzellenbedingungen
eine hoch leitfähige und korrosionsbeständige Oxidschicht ausbilden. Zum anderen
besteht die Möglichkeit, die Platten durch eine Oberflächenbeschichtung mit einer
chemisch und mechanisch stabilen Schicht zu schützen. Eine solche Schutzschicht muss eine
zu Graphitplatten vergleichbare elektrische Leitfähigkeit mit geringen Übergangswiderständen
und gleichzeitig gutem Korrosionsschutz aufweisen. Übergangsmetallkarbide, Nitride und
Boride zeigen als Schutzschichten das Potential für den Einsatz in Brennstoffzellen [12]. Diese
Schichten können beispielsweise in einem Tauchbad, durch Spray- oder Galvanisationsprozesse
sowie durch PVD- und CVD-Verfahren (Physical-, Chemical Vapor Deposition) auf die
metallischen Platten aufgetragen werden.
Als MEA wird die Einheit aus der katalysatorbeschichteten ionenleitenden Polymermembran
und beidseitig aufgebrachten Gasdiffusionsschichten bezeichnet. In der Sandwich-artig aufgebauten
MEA finden die elektrochemischen Reaktionen statt. Die Aufgabe der typischerweise
zwischen 25 und 180 µm dicken Polymermembran besteht in der Leitung der Protonen von der
Anode zur Kathode, bei gleichzeitiger elektronischer Isolation der beiden Elektroden. Darüber
hinaus gewährleistet die Membran die räumliche Trennung der beiden Gasräume voneinander.
Die Materialanforderungen an die Membran sind in Tabelle 1.2 in Form der vom DoE definierten
Zielwerte aufgelistet [9].