Bipolarplatten stellen eine Schlüsselkomponente hinsichtlich Fertigungskosten eines Brennstoffzellenstacks dar und sind komplexen Anforderungen ausgesetzt. Sie stützt die anderen biegeempfindlichen Stackkomponenten, verteilt die Reaktionsgase über die aktive Zellfläche und sorgt für die flächige elektrische Kontaktierung der in Reihe geschalteten Einzelzellen, Ableitung der Reaktionswärme und sowie Trennung der Einzelzellen. Daher muss sie einen niedrigen Kontaktwiderstand zur benachbarten Gasdiffusionslage, hohe Biegesteifigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und hohe Lebensdauer der Zelle gewährleisten. Die Funktion der Gasverteilung über die aktive Zellfläche übernimmt das Flussfeld. Deren Kanalstruktur- und Geometrie beeinflusst entscheidend den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und des Gesamtsystems. Um Fertigungsaufwand und damit verbundene Kosten zu senken, ist es Ziel aktueller Forschungsarbeit, die Geometrie so einfach wie möglich zu gestalten. Dabei wird ein minimal geringerer Wirkungsgrad in Kauf genommen, wenn im Gegenzug die Kosten stark sinken. Mit Hilfe einer CFD-Simulation wird das Flussfeld dahingehend optimiert, die Produktion zu vereinfachen und die Funktionalität weiterhin zu gewährleisten. Im Rahmen dieser Präsentation werden Modellbildung, Randbedingungen und erste Ergebnisse vorgestellt.

Cette thèse a pour but de contribuer à la mise au point et le développement, de plaques mono ou bipolaires composites pour piles à combustibles à membranes échangeuses de protons (ou PEMFC). Les plaques mono ou bipolaires (selon le type de refroidissement choisi) sont un élément essentiel au fonctionnement des piles car elles l’alimentent en gaz réactifs (hydrogène et oxygène de l’air), assurent la tenue mécanique des cellules, la séparation des compartiments anodique et cathodique, le collectage des électrons, et l’évacuation des « sous-produits » eau et chaleur. L’optimisation des propriétés physico-chimiques et mécaniques des plaques, et de leur procédé d’élaboration, permettra de rendre de ce fait la technologie pile à combustible plus accessible Après une étude bibliographique centrée sur les systèmes composites à taux de charges ou de renforts élevé et leurs propriétés physicochimiques, mécaniques et électriques, la 2ème phase sera axée sur une contribution à l’optimisation des formulations par des analyses morphologiques, physiques et physicochimiques pertinentes. La 3ème phase sera dédiée à l’analyse des plaques mono ou bipolaires après tests en piles afin de permettre des choix entre les différentes formulations ou procédés de mise en œuvre des plaques mono et bipolaires et dégager des paramètres pertinents reliés aux propriétés d’usage et à leur évolution au cours du temps en conditions réelles d’utilisation. / The objective of this work is to design carbon polymer composites for bipolar plates, with high and homogeneous electrical and mechanical properties. A method was designed in order to analyze the electrical conductivity homogeneity of the bipolar plates. Several designs of experiments were formulated after optimization of the most influencing formulation parameters on the use properties. This first step enhanced the use properties of the resulting materials, though insufficiently. The plates characterization showed highly heterogeneous and anisotropic use properties. The fabrication process conditions optimization (thermosets formulations) and the addition of an annealing step (thermoplastic formulations) then improved significantly the use properties and their homogeneity.

As part of the global work towards reducing CO2 emissions, all vehicles needs to be electrified, or fueled by green fuels. Batteries have already revolutionised the car market, but fuel cells are believed to be a key energy conversion system to be able to electrify also heavy duty vehicles. The type of fuel cell commercially available for vehicles today is the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), but for it to be able to take a larger market share, the cost must be reduced while sufficient lifetime is ensured. The PEMFC is a system containing several components, made of different materials including the polymer membrane, noble metal catalyst particles, and metallic bipolar plate. The combination of different materials exposed to elevated temperature, high humidity and low pH make the PEMFC components susceptible to corrosion and degradation. The noble metal catalyst is one of the major contributors to the high cost. In this work, the latest research on new catalyst materials for PEMFCs are overviewed. Furthermore, electrodeposition as a simple synthesis route to test different Pt-alloys for the cathode catalyst in the fuel cell is explored by synthesis of PtNi and PtNiMo. The gas diffusion layer of the PEMFC is used as substrate to reduce the number of steps to form the membrane electrode assembly. In addition to cheaper and more durable materials, understanding of how the materials degrade, and how the degradation affects the other components is crucial to ensure a long lifetime. Finding reliable test methods to validate the lifetime of the final system is necessary to make fuel cell a trusted technology for vehicles, with predictable performance. In this work, commercial flow plates are studied, to see the effect of different load cycles and relative humidities on the corrosion of the plate. Defects originating from production is observed, and the effect of these defects on the corrosion is further analysed. Suggestions are given on how the design and production of bipolar plates should be made to reduce the risk of corrosion in the PEMFC. / Som en del av det globala arbetet med at reducera utsläppen av koldioxid måste alla fordon elektrifieras eller tankas med förnybart bränsle. Batterier har redan revolutionerat bilmarknaden, men bränsleceller är en viktig pusselbit för att också elektrifiera tunga fordon. Den typen av bränsleceller för fordon som finns tillgänglig på den kommersiella marknaden i dag är polymerelektrolytbränslecellen (PEMFC). För att PEMFC skall ta en större marknadsandel måste kostnaderna minskas och livslängden förlängas. PEMFC består av ett antal komponenter gjorda av olika material, bland annat polymer membran, ädelmetallkatalysator, och metalliska bipolära plattor. Kombinationen av olika material i tillägg till den höga temperaturen, hög fuktighet och låg pH gör att materialen i bränslecellen är utsatta för korrosion. Ädelmetallkatalysatorn är en av de kostdrivande komponenterna i bränslecellen. I denna studien presenteras en översikt över framstegen inom katalysatormaterial för PEM bränsleceller de senaste två åren. Sedan studeras elektroplätering som en enkel produktionsmetod för nanopartiklar av platina legeringar. Möjligheten att simultant plätera fler metaller, och att använda gasdiffutions-skiktet från bränslecellen som substrat för att reducera antal produktionsteg och därmed reducera kostnader, undersöks. Det möjliggör också snabb testning av olika legeringar för att identifiera den optimala sammansättningen med hög prestanda, lång livslängd och lite platina. I tillägg till att ta fram billigare och tåliga material är det viktigt att förstå hur materialen degraderar och hur degraderingen av ett material påverkar de andra komponenterna. Med den kunskapen kan man utveckla accelererade testmetoder för att bedöma livslängden av hela bränslecellen. Validerade testmetoder är viktigt för att styrka förtroendet till nya teknologier. I denna studien fokuseras det också på korrosion av bipolära plattor, och hur olika lastcykler och fuktnivåer som kan bli applicerad vid accelererad testning påverkar korrosionen. Också effekten av defekter från tillverkningen i den skyddande beläggningen analyseras med hänsyn till korrosion, för att ge mer insikt i hur bipolära plattor kan designas och produceras för att minska korrosionen.

Das Fraunhofer IPT untersucht verschiedene Umformverfahren für das Formen metallischer Bipolarplatten wie das Streckziehen, Rubberforming und Hydroforming. Verschiedene Edelstähle wie 1.4301 und 1.4404 sowie Titanwerkstoffe werden dabei berücksichtigt. Durch Simulationen sowie experimentelle Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass die auftretenden Normalkräfte und Scherspannungen im Kontakt zwischen Werkzeug und Blech beim Streckziehen größer sind als bei den beiden anderen Verfahren. Dadurch werden bei gleichen Spannungen im Material geringere Umformgrade erreicht. Hinsichtlich des Potenzials für das Upscaling der Produktion ist das Streckziehen im Folgeverbundwerkzeug aufgrund der einfachen Automatisierbarkeit und des Handlings bei geringen Zykluszeiten geeignet. / Fraunhofer IPT analyzes different technologies for the forming of metallic bipolar plates. Among them are stamping, rubberforming and hydroforming. Different materials like stainless steel (1.4301 and 1.4404) and titanium are considered. Numerical simulations and experimental validation show that contact pressure and shear stress in the contact between tool and sheet are larger for stamping processes. This leads to limited grades of deformation. Nevertheless, stamping in progressive die tools is a suitable forming technology for upscaling of the production of metallic bipolar plates as it has short cycle times and handling of the sheets can be automated easily.

Bipolarplatten stellen eine Schlüsselkomponente hinsichtlich Fertigungskosten eines Brennstoffzellenstacks dar und sind komplexen Anforderungen ausgesetzt. Sie stützt die anderen biegeempfindlichen Stackkomponenten, verteilt die Reaktionsgase über die aktive Zellfläche und sorgt für die flächige elektrische Kontaktierung der in Reihe geschalteten Einzelzellen, Ableitung der Reaktionswärme und sowie Trennung der Einzelzellen. Daher muss sie einen niedrigen Kontaktwiderstand zur benachbarten Gasdiffusionslage, hohe Biegesteifigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und hohe Lebensdauer der Zelle gewährleisten. Die Funktion der Gasverteilung über die aktive Zellfläche übernimmt das Flussfeld. Deren Kanalstruktur- und Geometrie beeinflusst entscheidend den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und des Gesamtsystems. Um Fertigungsaufwand und damit verbundene Kosten zu senken, ist es Ziel aktueller Forschungsarbeit, die Geometrie so einfach wie möglich zu gestalten. Dabei wird ein minimal geringerer Wirkungsgrad in Kauf genommen, wenn im Gegenzug die Kosten stark sinken. Mit Hilfe einer CFD-Simulation wird das Flussfeld dahingehend optimiert, die Produktion zu vereinfachen und die Funktionalität weiterhin zu gewährleisten. Im Rahmen dieser Präsentation werden Modellbildung, Randbedingungen und erste Ergebnisse vorgestellt.

The increasing demand for more efficient cooling options in the areas of fuel cell technology motivates the development of novel cooling strategies with improved heat transfer. Cooling through phase transition of the coolant from the liquid to the gaseous state is therefore a suitable approach. In this context, the phase transition behaviour in the inner structure of bipolar plates, which is determined by the flow field and its surface properties, must be understood and designed as a central functional element for cooling in a fuel cell. For the integrated development of a metallic bipolar plate based on the phase change cooling with modified surfaces, this paper discusses the design of the flow field, the design of the associated forming technology as well as the coating technology that meets the requirements of the bipolar plates with phase change cooling principle. In this regard, the wetting and the corrosion behaviour of different surface coatings and the in-situ phase transition behaviour within the bipolar plates are demonstrated and discussed.

Elektrochemische Energiewandler sind eine hervorragende Möglichkeit, die Energieversorgung der Zu-kunft zu sichern. Eine Schlüsselkomponente der hierfür benötigten Polymer-Elektrolyt-Membran-Brenn-stoffzellen und -Elektrolyseurzellen ist die Bipolarplatte. Für die Herstellung metallischer Bipolarplatten sind verschiedene umformende Fertigungstechnologien geeignet, die sich hinsichtlich erreichbarer Fer-tigungskosten, Endeigenschaften der Bipolarplatte und technologischer Prozessgrenzen unterschei-den. In diesem Artikel werden die aktuell präferierten Fertigungstechnologien wie die wirkmedienba-sierte Blechumformung, sowie das Hohlprägen und das Hohlprägewalzen zur Herstellung von metalli-schen Bipolarplatten miteinander verglichen und bewertet. / Electrochemical energy converters are an excellent option to secure the energy supply of the future. A key component of the polymer electrolyte membrane fuel cells and -electrolyser cells required for this purpose is the bipolar plate. Various forming technologies with different manufacturing costs, final prop-erties of the bipolar plates, and technological process limits are suitable for the fabrication of metallic bipolar plates. In this article, the currently preferred manufacturing technologies to produce metallic bipolar plates like precisely media-based sheet forming as well as hollow embossing and roll embossing, are compared and evaluated.

Parmi les nouvelles technologies pour l’énergie inscrites dans un contexte de développement durable, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) présentent des aspects séduisants. Toutefois, pour rendre cette technologie compatible avec une application à grande échelle, elle doit répondre à des exigences strictes en termes de coût, performance, et durabilité. Alors que les plaques bipolaires métalliques sont pénalisées par leur résistance à la corrosion et celles en graphite par leurs propriétés mécaniques et leur coût (dû aux phases d’usinage des canaux), les plaques bipolaires composites apparaissent attrayantes en raison de leurs propriétés et performances et de leur coût. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre, en proposant un matériau composite à matrice organique de type époxy et charges conductrices de graphite. L’objectif de notre étude consiste à mettre au point un matériau thermodurcissable à base d’une formulation époxyde solide (permettant de contrôler sa chimie et plus particulièrement sa réactivité) fortement chargée en graphite. Deux formulations différentes sont étudiées. La première est à base de prépolymère époxy appelé DGEBA et de dicyandiamide (DDA) comme durcisseur. L’autre formulation étudiée est constituée de DGEBA et de durcisseur : le 3,3’,4,4’-benzophénone dianhydride tétracarboxylique (BTDA). Ces deux formulations ont la particularité d’être très réactives à haute température (180-200°C) caractérisées par des temps de gel très courts (plus petit que 1min) afin d’avoir un temps de cycle de réticulation court pour une industrialisation de la fabrication. De plus, ces mêmes matrices ont montré une bonne stabilité chimique à température ambiante ainsi qu’une bonne stabilité thermique du système réticulé compatible avec la température d’utilisation des piles en fonctionnement. Concernant les réseaux composites résultant de la polymérisation DGEBA/BTDA et DGEBA/DDA, le module au plateau caoutchoutique est dominé par le taux de charge qui est très élevé (85%), celui-ci est ainsi très proche d’un réseau à l’autre et reste supérieur à 1 GPa. Nous constatons une viscosité relativement élevée pour les systèmes fortement chargés, point à prendre en compte lors du procédé de transformation. Enfin, la dernière partie des travaux réalisés concerne l’étude de mélange constitué de la matrice thermodurcissable (DGEBA/DDA/urée) modifiée par un thermoplastique (PEI). L’originalité et l’intérêt de ce travail résident dans l’incorporation de charges conductrices afin que celles-ci puissent se disperser dans la phase continue ou co-continue époxyde-amine lors de la séparation de phase pour limiter la proportion de charges et ainsi la viscosité des systèmes chargés. L’autre intérêt est d’améliorer les propriétés de résistance à la rupture du réseau époxyde TD final grâce à la présence de la phase thermoplastique séparée. / Among the new technologies for energy for sustainable development, PEM fuel cells offer seducing aspects. However, in order to make this technology fit large scale application requirements, it has to comply with stringent cost, performance, and durability criteria. While metal bipolar plates are penalized by their corrosion resistance and those based on graphite by their mechanical properties and cost (due to machining phases of the channels), the composite bipolar plates appear attractive because of their properties, performance and their cost. In such a frame, the goal of this PhD was to propose a composite material based on an epoxy matrix and graphite conductive fillers.The aim of our study was to develop a thermosetting material based on a solid epoxy formulation (to control its chemistry and in particular its reactivity) highly filled with graphite. Two different formulations were studied. The first was based on the epoxy prepolymer DGEBA and dicyandiamine (DDA) as a hardener. The other formulation studied was composed of DGEBA and curing agent: 3,3’,4,4’ benzophenone tetracarboxylic dianhydride (BTDA). Both formulations have the particularity to be very reactive at high temperature (180-200 °C) characterized by very short gel time (less than 1min) to have a short curing cycle for the industrialization of the production. In addition, these matrixes have shown good chemical stability at room temperature and good thermal stability of cross-linked system compatible with the operating temperature of the fuel cell. On composite network resulting from the polymerization DGEBA / BTDA and DGEBA / DDA, the rubbery modulus appears to be dominated by the loading rate, very high (85%), and is above 1 GPa. We see a high viscosity for highly filled systems, point to consider during the process of transformation. The final part of the work concerned the study of blend of the thermosetting matrix (DGEBA / DDA / urea) modified with a thermoplastic (PEI). The originality and interest of this work is the incorporation of conductive fillers so that they can be dispersed in the continuous or co-continuous structure during the phase separation to limit the proportion of charges and and the viscosity of filled systems. The other interest is to improve the properties of tensile strength of the thermosetting epoxy network with the presence of the thermoplastic phase.

Fuel cells are an excellent opportunity to address the challenges of the energy supply of the future. The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) stack consists of several core components such as the bipolar plates (BPP) and membrane electrode assembly (MEA). BPPs have an influence on stack dimensions, performance and lifetime as well as costs. The challenge is to design an optimal BPP for specific applications, considering the manufacturing effort and costs. Basically, two material concepts are currently available: polymer composite materials or metals. Compared to metallic BPPs, polymer-based BPPs show a longer service life and allow a high geometrical flexibility. Metallic BPPs possess a very thin overall thickness which makes them preferable for use in commercial automotive sector. Depending on the base material, different manufacturing processes are required. This article presents a comparison and an assessment of BPPs regarding possible manufacturing processes as well as resulting costs.

In fuel cells, stacks of several hundred bipolar plates are combined in membrane electrode assemblies, in which the electrochemical reactions take place. As a result, it must be possible to produce the bipolar plates cost-efficiently. In addition, the corrosion resistance in the surrounding medium and the electrical conductivity have to be sufficiently high. As stainless steels show passivation over time, more expensive materials, like graphite or noble-metal coatings, are used. This paper describes an alternative coating, which can fulfil the above-mentioned requirements. Using electroplating, Cr coatings with thicknesses > 20 µm can be deposited at low costs and REACH compliant. Subsequently, the Cr layers are gas nitrided resulting in a dense Cr-N coating with electrical and corrosion properties exceeding the ones of common stainless steels. Using this new approach, well-performing fuel cells could be produced cost-efficiently.