Marktführer für Bipolarplatten und flexible Graphit-Bipolarplatten

Was sind Bipolarplatten ?

Bipolarplatten sind in erster Linie strukturelle und funktionelle Komponenten im Kern elektrochemischer Zellen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM). und Flow-Batterien. Jede Platte berührt gleichzeitig die Anode einer Zelle und die Kathode der benachbarten Zelle und stapelt sie elektrisch in Reihe, während die Reaktionsgase physikalisch getrennt werden. In einer PEM-Wasserstoffbrennstoffzelle übernehmen Bipolarplatten drei gleichzeitige Funktionen: Verteilung von Wasserstoff und Sauerstoff durch bearbeitete oder geformte Strömungsfeldkanäle, Leiten von Elektronen zwischen Zellen und Abführen von Wärme und Wasser, die durch die elektrochemische Reaktion entstehen.

Bipolarplatten entfallen 60–80 % des Gesamtgewichts und ungefähr 30–40 % der Gesamtkosten eines PEM-Brennstoffzellenstapels, wobei die Materialauswahl und die Herstellungsmethode die dominierenden Faktoren für die Leistung, Haltbarkeit und kommerzielle Rentabilität des Stapels sind. Das ideale bipolare Plattenmaterial vereint hohe elektrische Leitfähigkeit, geringe Gasdurchlässigkeit, starke Korrosionsbeständigkeit in sauren Elektrolytumgebungen (pH 2–4), ausreichende mechanische Festigkeit, um die Kompression der Baugruppe zu bewältigen, und eine ausreichend niedrige Dichte, um gravimetrische Leistungsdichteziele in Transportanwendungen zu erreichen.

Materialien, die bei der Herstellung von Bipolarplatten verwendet werden

Bei der Herstellung von Bipolarplatten konkurrieren drei Hauptmaterialkategorien mit jeweils unterschiedlichen Kompromissen in Bezug auf Leitfähigkeit, Gewicht, Korrosionsbeständigkeit, Herstellbarkeit und Kosten.

Bearbeiteter Graphit bleibt der Maßstab für Labor- und stationäre Anwendungen, bei denen Kosten und Gewicht zweitrangig gegenüber der Leistungskonsistenz sind. Metallplatten – dünn gestanzter Edelstahl mit PVD- oder Goldbeschichtungen – dominieren bei Brennstoffzellenstapeln für Kraftfahrzeuge (Toyota Mirai, Hyundai NEXO), da ihre hohe mechanische Festigkeit so dünne Platten ermöglicht 0,1–0,2 mm Dies ermöglicht kompakte Stacks mit hoher Leistungsdichte. Flexible Graphit- und polymergebundene Verbundwerkstoffe nehmen den Mittelweg für die Märkte der stationären Stromerzeugung, der Notstromversorgung und der aufstrebenden Elektrolyseure ein.

Flexible Graphit-Bipolarplatten: Eigenschaften und Herstellung

Flexibler Graphit – auch Blähgraphit oder Blähgraphit genannt – wird durch Einlagerung von natürlichem Flockengraphit mit Schwefel- oder Salpetersäure und anschließendes schnelles Erhitzen auf Temperaturen über 800 °C hergestellt. Durch den Thermoschock dehnen sich die Graphitschichten senkrecht zur Basisebene um den Faktor aus 200–400× Dadurch entsteht eine vermikuläre, ziehharmonikaartige Struktur, die ohne Polymerbindemittel zu dichten, selbstklebenden Folienblättern gerollt werden kann.

Diese bindemittelfreie Zusammensetzung ist ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal. Polymergebundene Graphitkomposite enthalten 20–40 Gew.-% Harz, was die Leitfähigkeit verringert und eine organische Phase einführt, die unter den oxidierenden Bedingungen im Inneren einer Brennstoffzelle abgebaut werden kann. Im Gegensatz dazu ist eine flexible Graphitplatte 99 % reiner Kohlenstoff Dies verleiht ihm chemische Stabilität über den gesamten Betriebs-pH-Bereich von PEM-Brennstoffzellen und Durchflussbatterien sowie thermische Stabilität bis über 450 °C in nicht oxidierenden Atmosphären.

Methoden zur Strömungsfeldbildung

Die Kanäle, die Reaktionsgase über die Oberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) verteilen, können in flexiblem Graphit durch mehrere Prozesse gebildet werden:

• Formpressen — die gebräuchlichste Methode. Eine bearbeitete Stahlmatrize drückt das Kanalmuster unter Hitze und Druck in die flexible Graphitplatte. Taktzeiten von 1–3 Minuten ermöglichen moderate Produktionsmengen.
• Rollprägung — Kontinuierlicher Prozess mit gravierten Walzen zum Einprägen der Kanalgeometrie in das Blechmaterial. Geeignet für Großserienproduktion und gleichbleibende Querschnittsprofile.
• CNC-Bearbeitung — wird für Prototypen und Kleinserienarbeiten verwendet, bei denen die Werkzeuginvestition für das Formen nicht gerechtfertigt ist. Langsamer und verschwenderischer als das Formen, bietet aber maximale Designflexibilität.

Eine entscheidende Herausforderung bei der Herstellung von flexiblem Graphit ist seine anisotrope Leitfähigkeit : Die Leitfähigkeit in der Ebene (parallel zur Blechoberfläche) ist wesentlich höher als die Leitfähigkeit in der Ebene (senkrecht zur Oberfläche). Da in einem Brennstoffzellenstapel der Strom durch die Ebene fließt, ist die Optimierung der komprimierten Dichte und des Oberflächenkontaktwiderstands von entscheidender Bedeutung. Platten werden typischerweise auf eine Dichte von komprimiert 1,0–1,3 g/cm³ , mit höherer Dichte, die die Leitfähigkeit durch die Ebene verbessert, aber die Kompressibilität verringert, die es der Platte ermöglicht, sich an MEA-Oberflächenunregelmäßigkeiten anzupassen.

Markt für flexible Graphit-Bipolarplatten: Größe, Wachstum und Treiber

Der weltweite Markt für Bipolarplatten wurde auf ca. geschätzt 1,2–1,5 Milliarden US-Dollar im Jahr 2023 und wird voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von wachsen 18–24 % bis 2030, hauptsächlich angetrieben durch die Ausweitung des Einsatzes von PEM-Brennstoffzellen im Transportwesen, in der stationären Energieversorgung und bei der Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse. Innerhalb dieses breiteren Marktes haben flexible Graphit-Bipolarplatten einen bedeutenden Anteil in den Segmenten der stationären und Notstromversorgung, wo ihre Korrosionsbeständigkeit, einfache Herstellung und das Fehlen kostspieliger Oberflächenbeschichtungen einen Kostenvorteil gegenüber metallischen Alternativen bieten.

Wichtige Markttreiber

• Ausbau der Wasserstoffwirtschaft – staatliche Wasserstoffstrategien in der EU (REPowerEU), den USA (Steuergutschriften für die Wasserstoffproduktion im Inflation Reduction Act), Japan, Südkorea und China treiben den Einsatz von Brennstoffzellen in einem Ausmaß voran, das vor fünf Jahren kommerziell marginal war. Jedes Megawatt installierter PEM-Leistung erfordert Hunderte bis Tausende von Bipolarplatten.
• Maßstabsvergrößerung des Elektrolyseurs — PEM-Elektrolyseure für die Produktion von grünem Wasserstoff verwenden Bipolarplatten mit ähnlichen Materialanforderungen wie Brennstoffzellen, jedoch unter anderen Betriebsbedingungen (höhere Spannung, Sauerstoffentwicklung an der Anode). Einigen Prognosen zufolge wächst der Markt für Elektrolyseure schneller als der Markt für Brennstoffzellen, was zu einer parallelen Nachfrage nach Graphitplattenmaterialien führt.
• Einsatz von Flow-Batterien — Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFBs) und andere Flow-Chemie-Systeme verwenden Bipolarplatten, um Elektrolytkammern zu trennen. Die Beständigkeit von flexiblem Graphit gegenüber Vanadiumelektrolyten (stark sauer und oxidierend) macht es zu einem bevorzugten Material für Langzeitspeicheranwendungen gepaart mit erneuerbarer Energieerzeugung.
• Kostensenkungsdruck auf Metallplatten – Gestanzte Metallplatten dominieren zwar in Automobilbaugruppen, doch der Bedarf an Korrosionsbeschichtungen aus Metallen der Platingruppe oder auf Goldbasis führt zu zusätzlichen Kosten, an deren Beseitigung die Hersteller arbeiten. Dies führt zu einer fortlaufenden Evaluierung graphitbasierter Alternativen in Nicht-Automobilsegmenten, in denen die Leistungsdichte des Stapels weniger kritisch ist.

Regionale Landschaft

Asien-Pazifik – angeführt von China, Japan und Südkorea – verfügt über den größten Anteil der aktuellen Produktionskapazität für Bipolarplatten, gestützt durch vertikal integrierte Brennstoffzellen-Lieferketten. Allein China hat sich seit über 20 Jahren nationale Ziele gesetzt 50.000 Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge bis 2025 und investiert stark in die heimische Graphitmaterialverarbeitung sowohl für Bipolarplatten als auch für Batterieanoden. Europa ist gemessen an der installierten Elektrolysekapazität der am schnellsten wachsende Markt, wobei Projekte wie die European Clean Hydrogen Alliance die Nachfrage beschleunigen. Nordamerika skaliert vor allem durch stationäre Energie, Schwertransport (Hyzon, Nikola, Plug Power) und Verteidigungsanwendungen.

Zu den wichtigsten Branchenteilnehmern, die im Segment der flexiblen Graphit- und Graphitverbund-Bipolarplatten tätig sind, gehören SGL Carbon, Toray Industries, Dana Incorporated, Schunk Carbon, Mersen und GrafTech International. Mehrere dieser Unternehmen sind gleichzeitig Materialproduzenten und Plattenhersteller, was ihnen bei steigenden Volumina Vorteile bei der vertikalen Integration verschafft.

Technische Herausforderungen und Entwicklungsrichtungen

Trotz der starken Marktdynamik stehen flexible Graphit-Bipolarplatten vor mehreren technischen und kommerziellen Herausforderungen, die die aktuellen Forschungs- und Entwicklungsprioritäten prägen:

• Gasdurchlässigkeit bei geringer Dicke – Da die Konstrukteure die Plattendicke auf unter 1 mm drücken, um das Stapelvolumen zu reduzieren, wird der Wasserstoffdurchtritt durch die Graphitplatte zu einem Zuverlässigkeitsproblem. Harzimprägnierung oder dünne Barrierebeschichtungen können die Durchlässigkeit verringern, aber wieder Polymerphasen einführen, die den Vorteil der chemischen Stabilität des Materials gefährden.
• Mechanische Zerbrechlichkeit — Flexible Graphitfolie ist in der Richtung durch die Ebene spröde und anfällig für Delaminierung bei wiederholten Temperaturwechseln oder unsachgemäßer Montage. Verbundlaminate – dünner, flexibler Graphit, der mit Kohlefaser oder Polymerträger verbunden ist – werden entwickelt, um die Handhabbarkeit zu verbessern, ohne die Leitfähigkeit zu beeinträchtigen.
• Verbesserung der Leitfähigkeit durch die Ebene — Das Erreichen einer Leitfähigkeit durch die Ebene über 100 S/cm bei kommerziell realisierbaren komprimierten Dichten bleibt eine aktive Herausforderung in der Materialwissenschaft. Zu den untersuchten Ansätzen gehören gezielte Zugaben von Graphit-Nanoplättchen und Wärmebehandlungsprotokolle.
• Skalierung der Fertigungsausbeute — Die Bildung von Strömungsfeldkanälen durch Formpressen führt in Laborumgebungen zu akzeptablen Ausbeuten, aber die Einhaltung von Maßtoleranzen von ±0,05 mm bei großvolumigen Produktionsläufen erfordert Präzisionswerkzeuge und Prozesskontrolle, was bei aktuellen Produktionsmaßstäben zusätzliche Kosten verursacht.

Die technischen Ziele des US-Energieministeriums für Bipolarplatten legen ein Ziel für den elektrischen Durchgangswiderstand fest unter 10 mΩ·cm² und eine Korrosionsstromdichte unter 1 µA/cm² – Maßstäbe, die flexibler Graphit in Bezug auf Korrosion von Natur aus erfüllt, die jedoch nur mit sorgfältiger Dichte- und Oberflächenbehandlungsoptimierung für den spezifischen Widerstand erreicht werden können. Beides gleichzeitig in einer Platte von weniger als 1 mm im Maßstab zu erfüllen, ist die zentrale technische Herausforderung für das Segment in den nächsten fünf Jahren.

Bipolarplatten in Flussbatterien und Elektrolyseuren

Während PEM-Brennstoffzellen die größte Aufmerksamkeit auf Bipolarplatten lenken, spielt die Komponente eine ebenso entscheidende Rolle in zwei benachbarten elektrochemischen Technologien mit erheblichen eigenen Marktwachstumstrends.

Vanadium-Redox-Flow-Batterien

In VRFBs trennen Bipolarplatten positive und negative Halbzellen und müssen einer kontinuierlichen Einwirkung von Vanadiumpentoxid in Schwefelsäure standhalten – einem der chemisch aggressiveren Elektrolyten in der kommerziellen Energiespeicherung. Sowohl flexibler Graphit als auch Kohlenstoff-Polymer-Verbundwerkstoffe schneiden hier gut ab, wobei flexibler Graphit aufgrund seiner Abwesenheit von Polymerphasen, die Vanadium oxidativ abbauen kann, bevorzugt wird. VRFB-Einsätze für die langfristige Energiespeicherung im Netzmaßstab (Entladung von 4 bis 12 Stunden) stellen einen wachsenden Nachfragestrom für Bipolarplatten dar weitgehend unabhängig von der Wasserstoffwirtschaft , was den Graphitplattenherstellern eine Marktdiversifizierung ermöglicht.

PEM-Elektrolyseure

PEM-Elektrolyseure spalten Wasser unter angelegter Spannung in Wasserstoff und Sauerstoff und arbeiten mit höheren Stromdichten (2–3 A/cm²) und höheren Anodenpotentialen als Brennstoffzellen. Die Sauerstoffentwicklungsumgebung an der Anode ist stark oxidierend, wodurch die meisten Platten auf Graphitbasis auf der Anodenseite entfallen – Titan mit Platin- oder Iridiumbeschichtungen ist derzeit Standard. Allerdings ist die Kathodenseite (Wasserstoffentwicklung) harmloser, und in einigen Designs werden für kathodenseitige Anwendungen Platten auf Graphitbasis verwendet. Da die Hersteller von Elektrolyseuren nach Kostensenkungen streben, stellen kathodenseitige Graphitplatten eine echte kommerzielle Chance dar, insbesondere für Installationen im Megawattmaßstab, bei denen die Materialkosten pro Flächeneinheit erheblich sind.