Halber Preis Hohlprägewalzen stellt Bipolarplatten wirtschaftlicher her

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Brennstoffzellen und Elektrolyseure stehen aufgrund der Mobilitäts- und Energiewende hoch im Kurs, sind aber noch relativ teuer machbar – noch ...

Brennstoffzellen zur Erzeugung von elektrischer Energie – beispielsweise für Elektroautos – haben einen hohen Wirkungsgrad, wenn sie Wasserstoff und Sauerstoff nutzen. Und Elektrolyseure kehren diesen Vorgang um. Sie spalten nämlich Wasser mithilfe elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff. Beide Systeme benötigen sogenannte Bipolarplatten (BPP), die die Wandlungskomponenten MEA (Membran-Elektroden-Einheit, in Brennstoffzellensystemen) und CCM (Catalyst Coated Membrane, in Elektrolyseuren) umschließen. In einem Brennstoffzellenstack ermöglicht der doppelwandige Aufbau der Bipolarplatten das Strömen von Sauerstoff und Wasserstoff zu beiden Seiten der MEA und eine Wasserkühlung des Stacks. Das Problem sei aber, dass derzeit die teure Herstellung der Bipolarplatten die Anwendung der Wasserstofftechnik und somit auch den breiten und günstigen Einsatz von Brennstoffzellenautos mit Wasserstoffantrieb ausbremsten. Erst durch eine günstigere Serienfertigung der Kernkomponente kann dieses Potenzial gehoben werden, wie Forscher vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU erklären. Jetzt könnte die Wende kommen ...

Rund 120 Bipolarplatten pro Minute fertigen können

Die Ursachen für die hohen Kosten der metallischen BPP liegen unter anderem in der diskontinuierlichen Batch-Fertigung. Doch mit der sogenannten „BPPflexRoll“ habe man am IWU in Chemnitz mit dem Industriepartner Profiroll Technologies eine prototypische Anlage zum Hohlprägewalzen der Bipolarplatten entwickelt, die kontinuierlich arbeite. Die Fertigungslinie befindet sich am IWU im Einsatz. Sie verfügt bereits über eine Steuerungstechnik und ein Bedienkonzept, die in wesentlichen Punkten einer industriellen Anlage entsprechen, wie betont wird. Die Anlage besteht aus drei Walzgerüsten und benötigt eine Aufstellfläche von 4.500 x 3.300 Millimetern.

Bipolarplatten bestehen aus jeweils zwei Edelstahl-Halbplatten, auf die, wie oben bereits erwähnt bisher in einem diskontinuierlichen Umformungsprozess die nötigen Strukturen für den Gasfluss und die Wärmeabfuhr eingeprägt bekamen. Später wurden die Hälften gefügt. Doch das Hohlprägewalz-Verfahren hat, wie die Forscher glauben, nun das Potenzial, diese diskontinuierlichen Prozessketten respektive Fertigungsschritte durch ein kontinuierliches Verfahren abzulösen. Das steigert den Output un damit die Wirtschaftlichkeit. Pro Minute lassen sich bis zu 120 BPP-Halbplatten fertigen. So könnte man die bisherigen Herstellkosten für Bipolarplatten etwa halbieren, so die Preisprognosen.

Individuell anpassbare Bipolarplattengeometrie

Mit der neu entwickelten Walztechnik wird die Struktur der Bipolarplatte mithilfe eines Walzenpaars geprägt, durch welches das dazwischen eingespannte, hauchdünne Metallband kontinuierlich läuft. Eine Umformwalze ist als Stempel, die andere als Matrize ausgelegt, wie man erfährt.

Weil die Walzen zum Ausformen der Strömungskanäle mit dem Werkstück annähernd nur einen Linienkontakt haben, können die Prozesskräfte durch die schrittweise Umformung im Vergleich zum konventionellen Hohlprägen durchschnittlich um den Faktor 10 reduziert werden, so die Experten. Das führe zu einer kleineren, günstigeren Anlagentechnik. Ein weiterer Vorteil der Anlage liege in ihrer Flexibilität. Denn die Anzahl der erforderlichen Walzensätze ließe sich in Abhängigkeit der Bipolarplattengeometrie individuell anpassen.

Kognitives Umformen inklusive Monitoringsystem

Mit der neuen Versuchsanlage gehen die Forscher des IWU auch einen wichtigen Schritt in Richtung kognitiver Umformmaschinen, die sich mittels Sensorik und „intelligenter“ Algorithmen selbst überwachen und steuern können, so der Blick in die Zukunft. Denn anders als bei bisherigen Anlagen, überprüft man mit dem System künftig die Qualität der Bipolarplatten im laufenden Prozess. Das erfolgt, indem die Prozessparameter mit Sensoren erfasst und zusammengeführt werden. Im Anschluss erfolgt eine korrelierte Analyse. und die Daten werden dann über Cloud-Tools verarbeitet und nutzbar gemacht. Erste mit der Anlage produzierte Bipolarplatten werden bereits am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg in Brennstoffzellen getestet. (pk)

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