SchlĂŒsselkomponente mit Optimierungspotenzial

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27. November 2022

SchlĂŒsselkomponente mit Optimierungspotenzial

Die Bipolarplatte ist neben der Membran-Elektroden-Einheit und den Dichtungen das am meisten verwendete Bauteil in Brennstoffzellen-Stacks. Deshalb ist es im Gesamtkonzept wichtig, ihre Kosten zu senken. Die Hersteller, egal ob metallischer oder graphitischer Lösungen, setzen einerseits verstĂ€rkt auf Automatisierung und Verkettung der Einzelprozesse und andererseits auf eine Optimierung der Produkte selbst, etwa ĂŒber eine weitere Reduzierung der BlechstĂ€rken. Im Blick sind bereits die nĂ€chsten Skalierungsschritte mit StĂŒckzahlen von mehreren Millionen Bipolarplatten fĂŒr ĂŒber 100.000 Stacks pro Jahr.

In einer PEM-Brennstoffzelle ist die Bipolarplatte (BPP) eine SchlĂŒsselkomponente. Sie macht bis zu 80 Prozent des Stackgewichts und bis zu 65 Prozent des Stackvolumens aus, ist also fĂŒr die Leistungsdichte enorm wichtig. Gleiches gilt fĂŒr die Funktion: Die BPP ĂŒbernimmt die Trennung und Verteilung der Prozessgase sowie die Abfuhr von Produktwasser. Auch die Ableitung des erzeugten Stroms und die homogene Verteilung aller Medien sind essenzielle Aufgaben dieser Komponente.

Bipolarplatten werden hauptsĂ€chlich aus metallischen Werkstoffen oder Graphit hergestellt. Die verschiedenen Materialien sind mit unterschiedlichen Eigenschaften und Vorteilen fĂŒr die FunktionalitĂ€t der BPP verbunden. Aufgrund nur geringer Effizienzvorteile und fehlender Herstellungsverfahren fĂŒr wettbewerbsfĂ€hige metallische BPP dominierte in der Vergangenheit die Graphitalternative. Insbesondere bei anspruchsvollen Anwendungen haben allerdings die kohlenstoffhaltigen BPP volumetrische und gravimetrische Defizite gegenĂŒber den metallischen Varianten. Außerdem ist Graphit sehr spröde und kann daher leicht brechen. Dennoch werden Graphitplatten hĂ€ufig in stationĂ€ren Anwendungen eingesetzt, bei denen das Bauvolumen keinen limitierenden Faktor darstellt.

Was die Kosten betrifft, so sind metallische Platten fĂŒhrend. „Mit dem richtigen Herstellungsverfahren lassen sich die Blechdicken auf bis zu 0,05 mm reduzieren. In diesem Bereich liegt Metall auf einem völlig anderen Preisniveau als Graphit“, betont der Hersteller CellForm. Da fĂŒr einen einzigen Stack mehrere Hundert Platten verwendet werden, sind die finanziellen Auswirkungen auf die Endanwendung enorm. Als weiteren Vorteil der metallischen Variante betont man bei CellForm den positiven Einfluss auf die KaltstartfĂ€higkeit der Brennstoffzelle.

Das Unternehmen aus dem baden-wĂŒrttembergischen Baienfurt deckt den gesamten Herstellungsprozess metallischer BPP mit einem mehrstufigen Umformprozess und nachgelagerter Laserverschweißung ab. Firmenvertreter verweisen hierbei auf die „extrem dĂŒnnen“ Blechdicken, die eine besondere Herausforderung darstellen: Die Umformung eines solch dĂŒnnen Ausgangsblechs und einer so prĂ€zisen und anspruchsvollen Geometrie der Kanalstruktur kann aufgrund der physikalischen BeschrĂ€nkungen schnell zu Rissen fĂŒhren, die die BPP unbrauchbar machen wĂŒrden. Hinzu kommen die hohen QualitĂ€tsanforderungen mit geringen Fehlertoleranzen, die in der Serienproduktion mit hohen StĂŒckzahlen gewĂ€hrleistet sein mĂŒssen. „Nur wer diese Anforderung erfĂŒllt, wird sich auf diesem wachsenden und umkĂ€mpften Markt behaupten können“, ist man in Baienfurt sicher.

Abb. 2: Bipolarplatte, gefertigt mit passivem Hydroforming (s. Kasten)

Bipolarplatte gefertigt mit passivem Hydroforming.jpg

Quelle: Fraunhofer IWU

Diese Herausforderungen ĂŒben laut CellForm einen gewissen Selektionsdruck auf die derzeit in der Entwicklung befindlichen Herstellverfahren aus. „Die Verfahren werden aufgrund physikalischer Restriktionen – wie WĂ€rmeentwicklung – in ihrer Ausbringungsmenge fĂŒr die zukĂŒnftige Großserienproduktion begrenzt sein“, ist der Hersteller ĂŒberzeugt. Dieses Problem trete bei kleinen StĂŒckzahlen noch nicht in Erscheinung, werde aber in den nĂ€chsten Jahren mit steigender Nachfrage immer deutlicher werden.

Die von CellForm selbst entwickelte Technologie lasse sich jedoch leicht skalieren. „In Kombination mit einer Dicke von bis zu 0,05 mm ermöglichen wir Strömungsfelder fĂŒr die effizientesten Brennstoffzellensysteme“, gibt sich das Unternehmen selbstbewusst. Jedes Teil werde im hochmodernen Maschinenpark in einer vollklimatisierten Anlage gefertigt.

Passives Hydroforming

Dank des sogenannten passiven Hydroformings können jetzt auch Pressen, die ursprĂŒnglich nicht fĂŒr die Hochdruck-Blechumformung (HBU) ausgelegt waren, fĂŒr die Fertigung von Bipolarplatten eingesetzt werden (s. Abb. 2) – und das ohne Wasserhydraulik und DruckĂŒbersetzer. FĂŒr dieses Verfahren sind UmformdrĂŒcke von rund 200 MPa erforderlich. Die Besonderheit des am Fraunhofer-Institut fĂŒr Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz entwickelten Verfahrens ist dabei das Werkzeugkonzept: Die Bewegung des VerdrĂ€ngerkolbens beim Schließen der Presse fĂŒhrt zur Komprimierung des im Werkzeug eingeschlossenen Wirkmediums. Dadurch kann ausreichend Druck fĂŒr die Umformung von BPP erzeugt werden. Werkzeugtechnisch anspruchsvoll ist laut IWU insbesondere die Abdichtung des Wirkmediums zwischen dem umzuformenden Blech und der BefĂŒllplatte.

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