Kosten halbiert - Neues Verfahren revolutioniert Herstellung von Bipolarplatten für Elektrolyseure und Brennstoffzellen

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Chemnitz – Eine Schlüsselkomponente von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen sind Bipolarplatten. Die Produktion war bisher wegen der notwendigen Verfahrenspausen im Prozess aufwändig und teuer, doch das könnte sich mit einer neuen Methode schon bald ändern.

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU haben mit dem neuen Hohlprägeverfahren eine Methode entwickelt, mit dem die Herstellung der Bipolarplatten erstmals in einem durchgängigen Prozess ermöglicht wird. Mit dem neuen Verfahren kann die Produktion der Bipolarplatten nicht nur deutlich beschleunigt werden, gleichzeitig rechnen die Forschenden mit einer Halbierung der Herstellungskosten.

Problem: Bisherige Herstellung von Bipolarplatten – aufwändig und teuer

Wasserstoff-Brennstoffzellen besitzen einen hohen Wirkungsgrad. Sie nutzen Wasserstoff und Sauerstoff, um Strom zu produzieren und damit etwa umweltfreundliche Fahrzeuge anzutreiben. Elektrolyseure kehren diesen Vorgang um, hier werden aus Wasser die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff produziert. Beide Wasserstoffsysteme benötigen Bipolarplatten (BPP), die die Wandlungskomponenten MEA (Membran-Elektroden-Einheit, in Brennstoffzellensystemen) und CCM (Catalyst Coated Membrane, in Elektrolyseuren) umschließen.

Das Problem: Derzeit verhindert die teure Herstellung der Bipolarplatten die Anwendung der Wasserstofftechnologie und somit beispielsweise den breiten und kostengünstigen Einsatz von Brennstoffzellenautos mit Wasserstoffantrieb. Die Ursachen für die hohen Kosten der metallischen BPP liegen unter anderem in der diskontinuierlichen Batch-Fertigung. Erst durch eine günstigere Serienfertigung der Kernkomponente kann dieses Potenzial gehoben werden.

Neues Hohlprägewalz-Verfahren: kontinuierliche Herstellung ohne Verfahrenspausen senkt Kosten

»Bipolarplatten bestehen aus jeweils zwei Edelstahl-Halbplatten, auf die in einem diskontinuierlichen Umformungsprozess Strukturen für den Gasfluss und die Wärmeabfuhr geprägt und die dann gefügt werden. Unser Hohlprägewalzverfahren hat das Potenzial, diese diskontinuierlichen Prozessketten bzw. Fertigungsschritte durch ein kontinuierliches Verfahren abzulösen, das ohne Verfahrenspausen auskommt und damit eine hohe Stückzahlausbringung erlaubt«, erläutert Stefan Polster, Leiter der Gruppe »Blechbearbeitung und Werkzeugauslegung« am Fraunhofer IWU.

»Ein Vorteil des Hohlprägewalzens sind insbesondere die höheren Prozessgeschwindigkeiten. Pro Minute lassen sich bis zu 120 BPP-Halbplatten fertigen«, bekräftigt Robin Kurth, Gruppenleiter für Umformmaschinen am Fraunhofer IWU. Durch die Umstellung des Herstellungsverfahrens wollen die Forschenden die Herstellungskosten für die BPP halbieren.

Technisch wird mit der neu entwickelten Technologie die Struktur der Bipolarplatte mit Hilfe eines Walzenpaars geprägt, durch welches das dazwischen eingespannte, hauchdünne Metallband kontinuierlich läuft. Eine Umformwalze ist als Stempel, die andere als Matrize definiert. Im Vergleich zum konventionellen Hohlprägen kann der Linienkontakt um den Faktor 10 reduziert werden.

Prototyp BPPflexRoll bereits im Einsatz – Weiterer Schritt in Richtung einer kognitiven Umformungsmaschine

Mit der BPPflexRoll haben die Forschenden am Fraunhofer IWU in Chemnitz gemeinsam mit der Profiroll Technologies GmbH bereits eine prototypische Anlage zum Hohlprägewalzen entwickelt. Die Fertigungslinie befindet sich am Fraunhofer IWU im Einsatz. Sie verfügt bereits über eine Steuerungstechnik und ein Bedienkonzept, die in wesentlichen Punkten einer industriellen Anlage entsprechen. Die Anlage besteht aus drei Walzgerüsten und benötigt eine Aufstellfläche von 4500 mm x 3300 mm.

Mit der neuen Versuchsanlage gehen die Forschenden des Fraunhofer IWU auch einen wichtigen Schritt in Richtung kognitiver Umformmaschinen, die sich mittels Sensorik und intelligenter Algorithmen selbst überwachen und steuern können. »Anders als bei bisherigen Anlagen überprüfen wir künftig die Qualität der BPP im laufenden Prozess, indem wir die Prozessparameter mit Sensoren erfassen, zusammenführen und korreliert analysieren können«, sagt Robin Kurth.

Erste mit der Anlage produzierte Bipolarplatten werden bereits am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg in Brennstoffzellen getestet.

Quelle: IWR Online

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