Herstellung von bipolaren Metallplatten für Brennstoffzellen und Elektrolyseure

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Welche Schritte werden bei der Herstellung von Bipolarplatten aus Metall durchgeführt, und welches sind die gängigsten Herstellungsverfahren?

Das Besondere an Bipolarplatten für Brennstoffzellen- und Elektrolyseuranwendungen ist zum einen die große Anzahl von Platten, die zum Aufbau eines Stapels benötigt werden. Außerdem sind die Geometrien von Bipolarplatten sehr komplex und stellen sehr hohe Anforderungen an das Bauteil. Diese besondere Konstellation bedeutet, dass auch eine Produktionslinie für die Serienfertigung der Bipolarplatten besonderen Anforderungen genügen muss.

Eine komplette Produktionslinie für die Serienproduktion von metallischen Bipolarplatten umfasst die folgenden Abschnitte/Schritte:

  • Material: Je nach Anwendung der Bipolarplatte muss das Rohmaterial bestimmt werden. Dabei sind sowohl die mechanischen und elektrischen als auch die chemischen und thermischen Anforderungen der geplanten Anwendungen zu berücksichtigen. Die Definition des Rohmaterials ist der erste notwendige Schritt und hat einen wesentlichen Einfluss auf alle nachfolgenden Schritte.
  • Beschichtung: Je nach Anwendung der Bipolarplatte gibt es zwei verschiedene Methoden: Vor- und Nachbeschichtung. Vorbeschichtung bedeutet, dass das Material im Voraus in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren beschichtet wird. Bei der Nachbeschichtung wird das Endprodukt (die metallische Bipolarplatte) erst nach Abschluss aller Produktionsschritte beschichtet.
  • Geometrie: Die Festlegung der Geometrie einer metallischen Bipolarplatte ist in der Regel ein iterativer Prozess und erfolgt in Abhängigkeit von der geplanten Anwendung, der geplanten Leistungsdichte und den geplanten stöchiometrischen Anforderungen an den gesamten elektrochemischen Energiewandlungsprozess innerhalb der einzelnen Zellen und des gesamten Stacks. Darüber hinaus müssen die Randbedingungen aller anderen Komponenten wie MEA, GDL, Abdichtung und Stackkonzept bekannt sein und berücksichtigt werden. Diese drei Anforderungen – Werkstoff, Beschichtung und Geometrie – sind die wesentliche Grundlage für die konkrete Auslegung einer Produktionslinie für die Serienfertigung von metallischen Bipolarplatten und gleichzeitig bereits der relevante Input für alle weiteren wirtschaftlichen Betrachtungen. Sie sind sozusagen der „genetische Fingerabdruck“ des Designs der Produktionslinie.
  • Umformung: Zur Umformung des Metalls können verschiedene Verfahren eingesetzt werden, z. B. Innenhochdruckumformung, Stanzen, Tiefziehen oder Rotationsumformung. Je nach Platte und Prozessanforderungen wird das eine oder das andere Verfahren eingesetzt. Wenn es zum Beispiel auf Geschwindigkeit ankommt, kann das Rolle-zu-Rolle-Verfahren eine gute Option sein, vorausgesetzt, das Blechdesign hat keine engen Toleranzen. Wenn hingegen höchste Präzision, Wiederholbarkeit und engste Toleranzen im Prozess gefordert sind, ist das Hydroforming das Verfahren der Wahl.
  • Schneiden: Nach der Umformung erhält das Blech sowohl seine Kontur als auch die Verteiler für die Gaszufuhr. Durch das Laserschmelzschneiden kann eine hohe Präzision und Qualität erreicht werden. Diese sind wichtig, da die Schnittkanten der Platten u.a. als Ausrichtelemente in nachfolgenden Prozessen verwendet werden und jede Abweichung zwischen der Schnittkontur und den gebildeten Kanalstrukturen zu Problemen beim Betrieb der Brennstoffzelle oder des Elektrolyseurs führen kann. Ebenso hat die Qualität der Schnittkanten einen großen Einfluss auf die Qualität des Endprodukts, denn nur ein völlig gratfreier Schnitt ermöglicht es, die hohen Anforderungen an die Gesamtlebensdauer eines Stapels zu erfüllen.
  • Schweißen: Aufgrund der Konzeption des Stack-Designs ist es möglich, dass die einzelnen Platten, nämlich Anode und Kathode, miteinander verschweißt werden müssen. Dies erfordert eine perfekte Positionierung der einzelnen Komponenten sowie eine 100% spaltfreie Spannung und Begasung, um ein optimales Schweißergebnis zu erzielen. Da auch dieser Prozessschritt höchste Präzision bei kurzen Taktzeiten erfordert, bietet sich das Schweißen mit Laserscannertechnik an.
  • Richten: Das Richten der Bipolarplatten wird durchgeführt, um die Verformung der Platte zu beseitigen. Die Ursache dafür sind Eigenspannungen, die sowohl bei der Herstellung des Metalls als auch bei seiner Weiterverarbeitung auftreten. Begradigte, flache Platten ermöglichen nicht nur eine einfachere Handhabung in nachfolgenden Prozessen und bei der Stapelmontage, sondern sorgen auch für eine längere Lebensdauer und Effektivität der Stapel.
  • Reinigung: Die Einzel- und Bipolarplatten werden während des Produktionsprozesses gereinigt, um ideale Bedingungen für die jeweiligen Folgeprozesse zu schaffen. Hinzu kommt eine Endreinigung der fertigen metallischen Bipolarplatte, nachdem alle Produktionsschritte durchlaufen wurden. Er ist dann „stapelfertig“.
  • Dichtheitsprüfung: Je nach Ausführung der metallischen Bipolarplatte wird die Dichtheitsprüfung (= Leckagerate) an der Einzelplatte oder an der geschweißten Bipolarplatte durchgeführt. Je nach den vom Kunden definierten Anforderungen sowohl an die Leckagerate des einzelnen Bauteils als auch an das Messverfahren erfolgt die Prüfung als 100%ige Endprüfung mit unterschiedlichen Methoden. Dies sind z. B. eine einfache Druckdifferenzmethode mit Umgebungsluft, ein Vakuumtest oder ein Helium-Lecktest. Unter Berücksichtigung der notwendigen Rückverfolgbarkeit für jedes einzelne Bauteil erfolgt am Ende dieses Prozessschrittes die vollständige Registrierung und Korrelation zwischen dem aufgebrachten Data-Matrix-Code und der Vorgeschichte des Bauteils.
  • Versiegeln: Je nach Stapelkonzept wird dann die Versiegelung angebracht. Auch für diesen Verfahrensschritt gibt es verschiedene Methoden. Vom einseitigen bis beidseitigen Aufbringen der Dichtung mit einem Dispenser über das Aufbringen der Dichtung im Siebdruckverfahren bis hin zum werkzeuggestützten Verfahren im Spritzgussverfahren wird die erforderliche Dichtung auf die Einzelplatte oder die Bipolarplatte aufgebracht.

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Wie werden die Bipolarplatten zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengesetzt?

Das Stack-Konzept wird bereits in der Entwurfsphase festgelegt – zusammen mit dem Design der metallischen Bipolarplatten und aller erforderlichen Komponenten. Er bildet eine weitere Komponente des „genetischen Fingerabdrucks“, denn das Stack-Konzept definiert alle funktionalen sowie alle ökonomischen Grundbedingungen.
Das Stapeln erfolgt in der Regel nach dem Pick-and-Place-Prinzip, da kontinuierliche und diskontinuierliche Prozesse kombiniert werden müssen. Die metallischen Bipolarplatten werden anhand von Indexmerkmalen ausgerichtet und zusammen mit den anderen Komponenten wie Membranen, Gasdiffusionsschichten und ggf. Dichtungen zu einem kompletten Stapel gestapelt, gepresst und in einem weiteren Prozessschritt konditioniert.

Herstellung von Bipolarplatten aus Metall - 2
Beispiel: Produktionslinie für Bipolarplatten

Welche verschiedenen Fehler werden bei der Herstellung von Bipolarplatten aus Metall festgestellt und welche Maßnahmen zur Qualitätskontrolle werden üblicherweise ergriffen, um diese zu beheben?

  • Werkstoff: Das Grundmaterial, das als Präzisionsband in Coilform geliefert wird, kann je nach Bandbreite in der Materialstärke variieren. Diese müssen im Produktionsprozess korrigiert werden. Darüber hinaus kann das Rohmaterial mechanische Defekte in Form von Abdrücken aufweisen, die durch Verschmutzung beim Walzen entstanden sind. Bei der Verwendung von vorbeschichtetem Material können auch Beschichtungsfehler und Kratzer vorhanden sein.
  • Leckage: Die Dichtheit des Bauteils ist die wichtigste Voraussetzung für die Funktion und wird mittels einer Dichtheitsprüfung zu 100% geprüft.
  • Verformung: Für die Verwendung in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren werden metallische Bipolarplatten in Stapeln von manchmal mehreren hundert Platten gestapelt und eingespannt. Neben den Bipolarplatten werden auch extrem flexible und empfindliche Komponenten wie Membranen, Gasdiffusionsschichten und Dichtungen eingebaut. Sind die verwendeten Bipolarplatten nicht eben, sondern verzogen, führt dies beim Verpressen eines Stapels zu einer inhomogenen Druckverteilung zwischen den Komponenten, was sich negativ auf die Effektivität und Lebensdauer des Stapels auswirkt. Sind die erzeugten Querkräfte zu stark, führt dies sogar zu Mikrorissen in den empfindlichen Bauteilen, was zu einem Totalausfall des Stapels führen kann.
  • Verunreinigung: Jede Art von Verunreinigung der einzelnen Komponenten kann zur Degradation der MEA (Membran-Elektroden-Einheit) und zum vollständigen Ausfall der Brennstoffzelle oder des Elektrolyseurs während des Betriebs oder zu einer erheblichen Verkürzung der Lebensdauer führen. Daher muss jeder Prozessschritt sowohl in Bezug auf die Sauberkeit als auch auf die Auswahl der Vorrichtungsmaterialien genau geprüft und gestaltet werden.

Wie werden die Umweltauswirkungen bei der Herstellung von Bipolarplatten aus Metall minimiert?

Die Minimierung der Umweltauswirkungen der Produktion von Bipolarplatten erfordert die Anwendung nachhaltiger Praktiken und Technologien während des gesamten Herstellungsprozesses. Im Folgenden werden einige Strategien zur Verringerung des ökologischen Fußabdrucks der Produktion von Bipolarplatten vorgestellt:

  • Die Auswahl der Materialien spielt eine entscheidende Rolle bei der Verringerung der Umweltauswirkungen, daher ist es wichtig, die richtigen Materialien mit geringeren Umweltauswirkungen zu wählen. Erwägen Sie zum Beispiel die Verwendung von recycelten Metallen bei der Herstellung von Bipolarplatten. Recycelter rostfreier Stahl kann den Bedarf an neuen Rohstoffen erheblich reduzieren. Alternative Werkstoffe mit geringerem Energieaufwand und geringeren Umweltauswirkungen, wie z. B. Leichtmetalllegierungen oder moderne Verbundwerkstoffe.
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  • Einführung energieeffizienter Fertigungsverfahren. Dies kann die Optimierung der Maschineneffizienz, den Einsatz energieeffizienter Geräte und die Einbeziehung erneuerbarer Energiequellen in die Produktionsanlage umfassen. Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) könnte eine der besten Optionen sein, um die Energienutzung zu maximieren und die Verschwendung zu minimieren. Minimierung des Abfallaufkommens durch effiziente Materialnutzung und Recyclingprogramme innerhalb der Produktionsstätte. Einrichtung von Systemen für das Recycling von Schrott und ungenutzten Materialien, wodurch der Gesamtbedarf an Rohstoffen gesenkt und die mit der Gewinnung und Verarbeitung verbundenen Umweltauswirkungen minimiert werden.
  • Umsetzung von Wassersparmaßnahmen zur Reduzierung des Wasserverbrauchs im Herstellungsprozess. Erwägen Sie Wasserrecycling-Systeme zur Aufbereitung und Wiederverwendung von Wasser innerhalb der Anlage, um die mit der Wasserentnahme und -ableitung verbundenen Umweltauswirkungen zu verringern.
  • Erforschung und Einführung umweltfreundlicher Fertigungsverfahren, wie z. B. der additiven Fertigung (3D-Druck), die Materialabfälle und den Energieverbrauch reduzieren können. Einsatz umweltfreundlicher Bearbeitungsflüssigkeiten und Schmiermittel zur Verringerung der Umweltauswirkungen von Metallbearbeitungsprozessen.

Inhaltliche Beiträge von

Graebener® Bipolar Plate Technologies ist Teil der Graebener® Maschinentechnik, einem mittelständischen, familiengeführten Maschinenbauunternehmen mit Standorten in Netphen (Deutschland) und Houston (USA) sowie verschiedenen internationalen Vertretungen. Graebener® ist seit 20 Jahren eines der ersten Unternehmen, das sich auf die Forschung und Entwicklung von Fertigungsverfahren und Maschinen für Brennstoffzellen- und Elektrolyseurkomponenten konzentriert. Das Unternehmen hat es sich zur Aufgabe gemacht, den Qualitätsstandard für Fertigungstechnologien zu setzen, indem es innovative Prozesse und Maschinen entwickelt, die dazu beitragen, Brennstoffzellen- und Elektrolyseur-Komponenten, wie die metallische Bipolarplatte, maßgeschneidert, integrierbar, skalierbar und damit wirtschaftlich effizient herzustellen.

Letzte Aktualisierung: 15.11.2023

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