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High-Performance Brennstoffzellen dank FEINforming: Schlüssel für die Mobilität der Zukunft

Wasserstoff wird eine entscheidende Rolle bei der weltweiten industriellen Dekarbonisierung spielen. So konnten in den letzten Jahren technologische Fortschritte die Kosten vieler Wasserstoffanwendungen erheblich senken.

Das „Hydrogen Council“, eine globale Initiative von 81 führenden Energie-, Transport- und Industrieunternehmen mit einer gemeinsamen und langfristigen Vision zur Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft stellt im Januar 2020 fest:

„Wasserstoff kann bis 2030 einen grossen Teil des Energiebedarfs für die Mobilität decken. Selbst bei Wasserstoffkosten an der Zapfsäule von 6 USD pro kg – einschliesslich Produktion, Verteilung und Einzelhandel – kann der Kraftstoff bis 2030 etwa 15 Prozent der Kosten des Energiebedarfs im Verkehrssektor wettbewerbsfähig decken. Wir gehen davon aus, dass sich dieses Kostenprofil in den meisten Regionen und Anwendungsfällen bis 2030 durchsetzen wird. Wenn die Kosten 4 USD pro kg an der Zapfsäule betrügen, könnte Wasserstoff sogar mehr als 50 Prozent des Energiebedarfs des Mobilitätssektors decken.

Lastkraftwagen, Langstreckenbusse und grosse Personenkraftwagen sind besonders wettbewerbsfähig, da die Kosten für Batterien, die zur Sicherung der notwendigen Reichweite benötigt werden, bei den Batteriealternativen sehr hoch sind.“ [1]

FEINforming: Eine Schlüsseltechnologie

FEINforming ist ein von Feintool entwickeltes Umformungsverfahren von dünnsten Metallblechen. Es ermöglicht einen Qualitätssprung bei der Herstellung von Bipolarplatten, dem zentralen Bauteil der in Fahrzeugen verbauten PEM-Brennstoffzellen. FEINforming ist eine Präzisionstechnik, mit der dünnste Edelstahlbleche äusserst akkurat und mit minimalen Fehlertoleranzen geformt werden können.

Das Ziel: Die damit erzielbare Präzision soll vergleichbar mit der Massgenauigkeit von gegossenen Bipolarplatten aus dem klassischen Werkstoff Graphit sein. Diese weisen zwar eine optimale Geometrie auf – allerdings kommen auch nachteilige Materialeigenschaften zum Tragen, die sie für den Einsatz im Fahrzeug ungeeignet machen, wie Sprödigkeit, hohe Materialstärken, grösseres Gewicht und daraus resultierend eine geringere Leistungsdichte. In allen Punkten sind metallische Bipolarplatten bei weitem überlegen, wenn es gelingt, sie präzise zu fertigen.

Was macht die Brennstoffzelle leistungsstark?

Ziel ist es, möglichst viel Leistung auf möglichst kleinem Raum unterzubringen. Im Brennstoffzellenstapel („Stack“) sind je nach Kapazität mehrere hundert einzelne Brennstoffzellenmodule hintereinander gestapelt und in Reihe geschaltet. Je dünner die einzelne Zelle, je kompakter die Anordnung, desto geringer das Gesamtgewicht und desto höher die Leistungsdichte, gemessen in Kilowatt pro Raumeinheit (kW/dm3). Als Kernelement des Brennstoffzellenstacks stellen Bipolarplatten das Bauteil dar, das ein entscheidender Hebel für den Durchbruch der Brennstoffzelle sein kann. Die Bipolarplatte muss folgende Eigenschaften erfüllen:

  • Chemische Stabilität gegen feuchte, oxidierende
    und reduzierende Bedingungen
  • Gasdichtigkeit
  • Hohe elektrische Leitfähigkeit
  • Geringe Übergangswiderstände
  • Gute Planparallelität
  • Niedrige Kosten (Fertigung und Material)

Die Rolle des Materials und der Flowfield-Geometrie

Grundsätzlich kommen als Bipolarplattenmaterialien für PEM-Brennstoffzellen in Frage: beschichtete Metalle (Edelstahl, Titan, Aluminium), Graphit oder Graphit‐Polymer‐Verbundwerkstoffe.

Insgesamt gesehen weisen metallische Bipolarplatten zahlreiche Vorteile gegenüber graphitischen Platten auf, wie geringeres Gewicht, geringes Volumen und bessere Kaltstartfähigkeit.[2]

Bipolarplatten aus Graphit machen einen grossen Gewichtsanteil der Brennstoffzelle aus und verursachen bis zu 40 Prozent der Produktionskosten einer Brennstoffzelle. Allein deshalb bieten metallische Bipolarplatten ein hohes Kostensenkungspotenzial bei der Serienproduktion hoher Stückzahlen.

Zwischen den Bipolarplatten, genauer in der Katalysatorschicht, reagieren Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser und setzen dabei Energie in Form von elektrischem Strom und Wärme frei. Die Platten stellen als integrierte Baugruppe die elektrische Verbindung der Zellen her, gewährleisten die Verteilung der Gase über die Fläche der Platte ebenso wie die Gastrennung zwischen angrenzenden Zellen und die Dichtung nach aussen sowie die Kühlung (Abfuhr thermischer Energie).

Elektrisch gesehen übernimmt die Bipolarplatte die Rolle der Kathode und Anode. Sie weist beidseitig feinste Kanäle auf (Strömungsprofile bzw. Flowfield), durch die die Gase geleitet werden und das Reaktionsprodukt Wasser abgeführt wird. Massgeblich für die Effizienz der chemischen und physikalischen Abläufe sind nun die geometrischen Eigenschaften dieser Kanäle.

  • Nahezu perfekte Rechtwinkligkeit
    Rechtwinklig geformte Kanäle maximieren den Querschnitt. Bisherige Verfahren der Metallumformung wie Hydroforming oder Stamping sind weniger geometrietreu. Die in der Flowfield-Geometrie angelegten Kanäle gleichen im Querschnitt eher Sinuskurven als rechtwinkligen Profilen. Mit FEINforming lassen sich Geometrien mit hohem Anteil an ebenen Auflageflächen für die Membran-Einheit (MEA) erzeugen.
  • Gleichmässige Formgebung mit geringen Toleranzen
    Feinforming kann prinzipbedingt Toleranzen im Ausgangsmaterial (Coil) ausgleichen. Dieser Effekte erhöht die resultierende Kanalhöhenkonstanz bei gleichzeitiger hoher Wiederholbarkeit.
  • Des Weiteren erlaubt das Verfahren durch die sehr uniforme Ausdünnung ohne kritische Verjüngung des Ausgangsmaterials die Verwendung dünnerer Bleche.

Warum kann Feintool mit FEINforming qualitativ hochwertiger produzieren?

Massgeblich ist das Zusammenspiel von Presse und Werkzeug. Die neuste Pressengeneration der FB one-Reihe ist für die Herstellung von Bipolarplatten prädestiniert. Sie erreicht eine herausragende Wiederholgenauigkeit bei höchsten Produktionsgeschwindigkeiten.

Auf dieser Grundlage sowie der jahrzehntelangen Erfahrung in der Feinschneid- und Umformtechnologie ist es Feintools Anspruch, für seine Kunden Verfahren zu entwickeln, die Voraussetzungen für Technologiesprünge sind. Massgeblich dafür sind Präzision, Toleranzminimierung, Optimierung, Qualität und Wirtschaftlichkeit von Prozessen und Herstellungsverfahren.

Fazit: Mit FEINforming stellt Feintool ein Fertigungsverfahren für die Produktion von metallischen High-Performance-Bipolarplatten für Brennstoffzellen bereit. Diese bilden neben der Membran-Elektrodeneinheit (MEA) das Schlüsselbauteil der Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM).

Der einzigartige Ansatz besteht darin, alle für den Stack relevanten Innen- und Aussengeometrien sowie das Strömungsfeld der Bipolarplatten in einem integrierten Verfahren simultan zu produzieren.

Damit eröffnet Feintool seinen Kunden und Partnern den Zugang zu einem hochwirtschaftlichen und optimalen Produktionsverfahren von ebenso leistungsstarken wie kompakten Brennstoffzellenantrieben für die emissionslose Elektromobilität oder für stationäre Brennstoffzellen.


[1] Hydrogen Council – Path to hydrogen competitiveness; A cost perspective. 10. January 2020

[2] Siehe Onlineartikel von Autorin Christiane Köllner: https://www.springerprofessional.de/brennstoffzelle/werkstoffe/warum-ist-die-bipolarplatte-fuer-brennstoffzellen-so-wichtig-/17286820

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