Formgebung Schlüsselkomponente Bipolarplatte

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Bei der Herstellung von Bipolarplatten für die Wasserstofftechnologie kommt der Formgebung eine große Rolle zu. Eine Produktionstechnik von Cellform macht es möglich, Bipolarplatten mit marktführenden Eigenschaften hinsichtlich Effizienz und Filigrantität zu fertigen.

Damit sich die Wasserstofftechnologie in Wirtschaft, Mobilität und Gesellschaft durchsetzen kann gilt es große Probleme zu lösen. Dazu gehören Kosten, Effizienz und Serientauglichkeit. Dieser Durchbruch kann nur durch intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit gelingen. Cellform forscht hier an der Herstellung der Schlüsselkomponente von Elektrolyseanlagen und Brennstoffzellen, der Bipolarplatte, um die bestehenden Defizite der Wasserstofftechnologie disruptiv anzugehen.

Die Wasserstofftechnologie besteht aus zwei Prinzipien: der elektrolytischen Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff (Elektrolyse) unter Zufuhr von externer Energie und der Nutzung der Energie aus der Rückreaktion (Brennstoffzelle). Diese beiden Mechanismen laufen in einem so genannten Stack ab. Dieser Stack stellt das Herzstück der Technologie dar, in dem die elektrochemischen Reaktionen ablaufen. Hauptbestandteil dieses Stacks ist die Bipolarplatte, welche ca. 400 bis 500 Mal je Stack verbaut wird und die aus zwei sehr dünnen, miteinander verschweißten Metallplatten besteht.

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Wie der Name vermuten lässt, dient eine Bipolarplatte als Basis für die beiden Pole einer Brennstoffzelle: die negative Anodenplatte und die positive Kathodenplatte. Die Platten sind für die Verteilung und Reaktion der Gase in der Brennstoffzelle verantwortlich und sorgen für den elektrischen Kontakt zwischen den einzelnen Zellen. Außerdem trennen sie die semipermeablen Membran-Elektroden-Einheiten voneinander. Die Kanalstruktur Das sogenannte Flow Field besteht aus einer Kanalstruktur und dient als Kontaktfläche zwischen Wasserstoff und Sauerstoff.

Wasserstoff als grüner Energieträger

Wasserstoff hat als Energieträger im Vergleich zu alternativen Technologien wie Batterien viele Vorteile. So sind die benötigten Ressourcen in Bezug auf Gewinnung und Recycling deutlich nachhaltiger und die Betankungszeit im mobilen Bereich ist deutlich kürzer. Doch der Hauptvorteil von Wasserstoff liegt in der Energiewende: In einer Zukunft mit Energie aus vollständig erneuerbaren Quellen steht unsere Gesellschaft vor einer großen Herausforderung, nämlich den örtlichen und zeitlichen Unterschieden zwischen Energieerzeugung und -nutzung zu überbrücken. Die Energieerzeugung aus Wind und Sonne deckt sich – im Gegensatz zu Kernenergie und Kohlekraft – nicht immer mit unserem Verbrauchsverhalten. Dies stellt uns vor die Aufgabe, Energie in großem Maßstab zu speichern, um sie zeitunabhängig zu transportieren und zu nutzen. Unter den gegebenen Bedingungen ist Wasserstoff die einzige Lösung für diese Aufgabe.

Dabei hat Wasserstoff gegenüber Batterien einen großen Nachteil, was den Gesamtwirkungsgrad betrifft. Wasserstoff wird mittels Elektrolyse nachhaltig hergestellt und in der Brennstoffzelle in seinen ursprünglichen Energiezustand zurückgeführt. Durch diese Umwandlung ergeben sich zwar die genannten Vorteile, jedoch geht ein großer Teil der ursprünglichen Primärenergie verloren. Dieser Nachteil ist das zentrale Problem, das es bestmöglich zu lösen gilt.

Bipolarplatten mit einer Blechdicke von 0,05 Millimeter

Je nach Material und Anwendung gibt es verschiedene Herstellungsverfahren. Sie unterscheiden sich in Bezug auf die Zykluszeit, die Filigranität des Flow Fields und die Kosten. Die Schwierigkeit bei der Herstellung von Bipolarplatten liegt in der extrem dünnen Blechdicke. Die Cellform-Technologie macht es möglich Bipolarplatten mit einer Blechdicke von 0,05 Millimeter zu fertigen. Die Umformung mit einem solch dünnen Ausgangsblech und einer so präzisen und anspruchsvollen Geometrie der Kanalstruktur führt aufgrund der physikalischen Beschränkungen schnell zu Rissen, welche die Bipolarplatte unbrauchbar machen.

Die Herausforderung für die Hersteller von Bipolarplatten sind hierbei 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.

Es gibt mehrere Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten, die sich noch in der Entwicklung befinden. Viele Herstellungsverfahren werden aufgrund physikalischer Restriktionen (z.B. Wärmeentwicklung) in ihrer Ausbringungsmenge für die zukünftige Großserienproduktion begrenzt sein. Dieses Problem tritt bei den momentan geringen Stückzahlen noch nicht in Erscheinung, wird aber in den nächsten Jahren mit steigender Nachfrage immer deutlicher werden. Die Cellform-Technologie basiert auf einem selbst entwickelten mehrstufigen Formgebungsprozess, der sich leicht skalieren lässt. Die Skalierbarkeit des Herstellungsverfahrens bestimmt die Produktionskosten und den Preis der einzelnen Bipolarplatte und beeinflusst damit maßgeblich die Attraktivität der klimafreundlichen Wasserstofftechnologie insgesamt.

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Feinste Kanal-Strukturen dank fotochemischem Ätzen

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