Schlüsselkomponente 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 verstärkt auf Automatisierung und Verkettung der Einzelprozesse und andererseits auf eine Optimierung der Produkte selbst, etwa über eine weitere Reduzierung der Blechstärken. Im Blick sind bereits die nächsten Skalierungsschritte mit Stückzahlen von mehreren Millionen Bipolarplatten für über 100.000 Stacks pro Jahr.

In einer PEM-Brennstoffzelle ist die Bipolarplatte (BPP) eine Schlüsselkomponente. Sie macht bis zu 80 Prozent des Stackgewichts und bis zu 65 Prozent des Stackvolumens aus, ist also für die Leistungsdichte enorm wichtig. Gleiches gilt für die Funktion: Die BPP übernimmt 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 hauptsächlich aus metallischen Werkstoffen oder Graphit hergestellt. Die verschiedenen Materialien sind mit unterschiedlichen Eigenschaften und Vorteilen für die Funktionalität der BPP verbunden. Aufgrund nur geringer Effizienzvorteile und fehlender Herstellungsverfahren für wettbewerbsfähige metallische BPP dominierte in der Vergangenheit die Graphitalternative. Insbesondere bei anspruchsvollen Anwendungen haben allerdings die kohlenstoffhaltigen BPP volumetrische und gravimetrische Defizite gegenüber den metallischen Varianten. Außerdem ist Graphit sehr spröde und kann daher leicht brechen. Dennoch werden Graphitplatten häufig in stationären Anwendungen eingesetzt, bei denen das Bauvolumen keinen limitierenden Faktor darstellt.

Was die Kosten betrifft, so sind metallische Platten führend. „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 für 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 Kaltstartfähigkeit der Brennstoffzelle.

Das Unternehmen aus dem baden-württembergischen Baienfurt deckt den gesamten Herstellungsprozess metallischer BPP mit einem mehrstufigen Umformprozess und nachgelagerter Laserverschweißung ab. Firmenvertreter verweisen hierbei auf die „extrem dünnen“ Blechdicken, die eine besondere Herausforderung darstellen: Die Umformung eines solch dünnen Ausgangsblechs und einer so präzisen und anspruchsvollen Geometrie der Kanalstruktur kann aufgrund der physikalischen Beschränkungen schnell zu Rissen führen, die die BPP unbrauchbar machen würden. Hinzu kommen die hohen Qualitätsanforderungen mit geringen Fehlertoleranzen, die in der Serienproduktion mit hohen Stückzahlen gewährleistet sein müssen. „Nur wer diese Anforderung erfüllt, wird sich auf diesem wachsenden und umkämpften 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 üben laut CellForm einen gewissen Selektionsdruck auf die derzeit in der Entwicklung befindlichen Herstellverfahren aus. „Die Verfahren werden aufgrund physikalischer Restriktionen – wie Wärmeentwicklung – in ihrer Ausbringungsmenge für die zukünftige Großserienproduktion begrenzt sein“, ist der Hersteller überzeugt. Dieses Problem trete bei kleinen Stückzahlen noch nicht in Erscheinung, werde aber in den nächsten 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 für 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 ursprünglich nicht für die Hochdruck-Blechumformung (HBU) ausgelegt waren, für die Fertigung von Bipolarplatten eingesetzt werden (s. Abb. 2) – und das ohne Wasserhydraulik und Druckübersetzer. Für dieses Verfahren sind Umformdrücke von rund 200 MPa erforderlich. Die Besonderheit des am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz entwickelten Verfahrens ist dabei das Werkzeugkonzept: Die Bewegung des Verdrängerkolbens beim Schließen der Presse führt zur Komprimierung des im Werkzeug eingeschlossenen Wirkmediums. Dadurch kann ausreichend Druck für die Umformung von BPP erzeugt werden. Werkzeugtechnisch anspruchsvoll ist laut IWU insbesondere die Abdichtung des Wirkmediums zwischen dem umzuformenden Blech und der Befüllplatte.

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