Auf dem Weg zur Massenproduktion

Wesentliche Fortschritte bei der Entwicklung von Bipolarplatten

Vorbeschichtetes Coil-Material, © Precors GmbH

Die Bipolarplatte (BPP) ist eine der Komponenten, die am häufigsten im Brennstoffzellen-Stack verwendet werden. Ihre Auswahl ist sowohl im Hinblick auf die Funktion als auch auf die Kosten überaus relevant. In den drei Forschungsprojekten InProPlate, PreCoil und BePPel, die über das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie NIP II geförderten wurden, konnten neue Fertigungsverfahren und Messmethoden entwickelt werden, die sich insbesondere auf die Wirtschaftlichkeit von BZ positiv auswirken.

Bei den BPP unterscheidet man hinsichtlich der eingesetzten Materialien zwischen den beiden Hauptgruppen Graphit-Compound- und metallische Platten. Letztere sind höher leitfähig, aber dafür nicht so korrosionsbeständig. Nach Einschätzung von Thorsten Hickmann, Geschäftsführer der Eisenhuth GmbH & Co. KG, kristallisiert sich aktuell heraus, dass im Pkw-Bereich vorwiegend metallische Platten zum Einsatz kommen, wohingegen die sogenannten „Langzeitanwendungen“, etwa bei Lkw, Bussen oder im stationären Bereich, die Domäne der Graphit-Compound-Platten sein werden.

Im Pkw-Segment gibt es laut Hickmann zwei große Themen: Gewicht und Platz. Beides spreche für die Verwendung der metallischen BPP. „Bei Nutzfahrzeugen sind diese kein Kriterium“, analysiert Hickmann. Ähnliches gelte auch bei Range Extendern von elektrischen Fahrzeugen, bei denen die Lebensdauer von entscheidender Bedeutung ist.

HOW

InProPlate: große und dünne graphitische BBP

Eisenhuth beschäftigt sich seit 2006 mit dem Thema Brennstoffzelle und ist hier insbesondere bei der Produktion graphitischer BPP aktiv. Zudem engagiert sich das Unternehmen aus Osterode am Harz seit 2018 gemeinsam mit Siqens und dem DLR-Institut für Vernetzte Energiesysteme im Projekt InProPlate. Gemeinsames Ziel des bis Ende 2021 laufenden Vorhabens ist, neben innovativen Fertigungsverfahren auch geeignete Prüfverfahren und Vorrichtungen zu entwickeln, die die Qualität der BPP, der Stacks und der kompletten BZ-Systeme sicherstellen.

Während sich Eisenhuth dabei vor allem auf die Fertigung der BPP sowie auf verbesserte Prozessabläufe und Rezepturen bei den Graphit-Compounds konzentriert, beschäftigt sich das Unternehmen Siqens mit der Optimierung der Montageprozesse sowie der Komponenten des BZ-Systems. Dem Münchener Unternehmen fällt im Konsortium damit die Rolle des Endanwenders, insbesondere für stationäre Aufgaben, zu. Das Arbeitsgebiet des DLR im Projekt ist dagegen vorwiegend die Analyse der Materialien sowie deren elektrochemische Untersuchung.

Eine Herausforderung, der es sich im Rahmen von InProPlate zu stellen gilt, ist die Herstellung von besonders dünnen und großen BPP im Spritzgussverfahren oder alternativ, bei kleineren Stückzahlen,  im sogenannten Compression Moulding. Schließlich will man hier in automobile Dimensionen vorstoßen. Das bedeutet die Herstellung von Platten mit einer Länge von bis zu 700 mm. Aktuell sind es meist noch 300 bis 400 mm. „Jeder Millimeter mehr bringt exponentielle Herausforderungen an das System mit sich“, erläutert Hickmann. Denn die hergestellten Platten sind mit rund 0,7 mm für graphitische BPP extrem dünn. Sukzessive will man sich an noch geringere Schichtdicken heranwagen. Hickmann sieht den Grenzbereich bei 0,5 bis 0,6 mm.

Doch das sind nicht die einzigen zu lösenden Aufgaben:. Im zweiten Projektteil geht es auch darum, die bestehenden Werkstoffe mit entsprechenden Kunststoffen wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polyphenylensulfid (PPS) weiterzuentwickeln. „Bislang konnten wir erfolgreich die Polypropylen-Compounds verarbeiten. Die Herausforderung ist nun, das Wissen auf die neuen Grundkunststoffe PVDF und PPS zu übertragen“, erläutert Hickmann.

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Autor: Michael Nallinger

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