Brennstoffzellen werden durch Stapelung präziser Bipolarplatten mit komplexer Struktur von Fließkanälen für Flüssigkeiten und Leitungen für den Transfer von Gasen hergestellt. Die für derartige Platten notwendigen Bleche werden durch Stanzen und Umformen erzeugt. Dabei haben neben der Einrichtung von Presse und Werkzeug (z. B. Hubzahl, Stößelverstellung) auch deren Zustand Einfluss auf die Qualität der Platten (Ebenheit, Materialspannungen/Rissbildungen, Gratbildung). Obwohl moderne Pressen heute im Wesentlichen auf servoelektrischen Antrieben basieren, erfolgt die Kraftübertragung auf den Stößel vornehmlich über mehrere Antriebsdruckpunkte. Spezifische Schneide- und Umformwerkzeuge erzeugen auf einer entsprechenden Presse bei definierten Presseneinstellungen und Materialparametern spezifische Kraft-, Moment- und Kippungsverläufe. Die am IWU entwickelte Überwachungslösung ist in der Lage, die genannten Größen hubabhängig zu erfassen. Mittels eines im IO-Zustand von Presse und Werkzeug generierten „Fingerprints“ werden im laufenden Prozess gemessene Abweichungen erkannt und in Echtzeit analysiert. Dies ist insbesondere beim Einsatz dünnster Bleche von enormer Bedeutung, da hier bereits kleinste anlagenbedingte Änderungen zu kostenintensiven Ausfällen an Werkzeug und Produkt führen können.

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.

An EU-funded project Fit-4-AMandA aims to establish a technological roadmap to scale-up from less than hundred stacks/year (manual assembly) to 50,000 stacks/year (automated assembly) in 2020 and beyond. Existing membrane-electrode assembly (MEA) and stack were redesigned/adapted for manufacturability and automation. The technology and machine system for the automated assembly of polymer-electrolyte-membrane fuel cell (PEMFC) stacks were developed, manufactured and are currently being tested. Fast in-line non-destructive quality-assurance methods for automated production of MEAs and stack assembly are being developed and implemented. For the final period of the project, a validation of the designs, hardware, tools and software for the automated production of MEAs and stack assembly as well as an integration of one of the prototype stacks manufactured by the automated processes into a light-commercial vehicle followed by a field-testing are scheduled. / Die breite Markteinführung von wasserstoffbasierten Antriebssystemen verlangt zunehmend nach einer kosteneffizienten und serientauglichen Produktion von Brennstoffzellenstacks. So sehen die Ziele der Europäischen Union vor, die Herstellung von aktuell unter 100 Stacks pro Jahr auf 50.000 Stacks pro Jahr bis zum Jahr 2020 zu erhöhen. Um dies zu erreichen, sollen im Rahmen des vom Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) der europäischen Union geförderten Projektes Fit-4-AMandA automatisierte Anlagen für solche Stückzahlen befähigt werden. Der Beitrag beschreibt, wie die bereits verfügbare Membran-Elektroden-Einheit (MEA) und der Stack bezüglich Herstellbarkeit und Automatisierung konstruktiv umgestaltet und angepasst wurden. Die neu entwickelte Technologie und das Maschinensystem für die automatisierte Montage von PEM-FC-Stacks sowie Verfahren der INLINE-Qualitätssicherung und der zerstörungsfreien Prüfung werden mit ihren Implementierungsmöglichkeiten in die automatisierte Fertigungsstrecke vorgestellt. Ein Ausblick gibt eine Übersicht über die weiteren Entwicklungsschritte wie die Validierung der Entwürfe, der Hard- und Software für die automatisierte Produktion der MEAs und Stacks. Eine vorgesehene spätere Integration der so gefertigten Stacks in ein Fahrzeug und die damit verbundenen Feldtests zur Untersuchung der Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Stacks werden abschließend dargestellt. Die Förderung des Projektes erfolgt im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 735606 des FCH JU der EU.

Um die wirtschaftliche Relevanz von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM-FC) als alternatives Antriebskonzept zu stärken, befasst sich die vorliegende Arbeit mit der umformtechnischen Fertigung der metallischen Bipolarplatte als eine der benötigten Teilkomponenten. Bipolarplatten werden in hoher Stückzahl innerhalb von Brennstoffzellenstapeln benötigt und sind aufgrund der hohen geometrischen, physikalischen und chemischen Anforderungen einer der wesentlichen Kostentreiber. Zur Senkung der Produktions- und Stückkosten bei der Herstellung von Bipolarplatten liegt der Fokus der Arbeit darin einen Beitrag zur Lösung damit verbundener Herausforderungen zu leisten. Zunächst erfolgte dazu die Entwicklung eines schnellen und flexiblen numerischen Berechnungsmodells zum Tiefziehen eines 0,1 mm dicken aus 1.4404-Edelstahl gefertigten Vorversuchsmusters. Die Basis bildete ein Vergleich mehrerer Modellaufbauten in verschiedenen umformtechnischen FE-Programmen. Durch eine umfassende Materialcharakterisierung und die Verifikation mit experimentellen Versuchen sowie dem Einsatz eines daraufhin entwickelten Sicherheitsfaktors gelang die Auswahl des bestmöglich geeigneten Setups. Mit Hilfe des kalibrierten numerischen Berechnungsmodells konnte die Optimierung der Fertigung des Vorversuchsmusters und nachfolgend die Überführung in die Herstellung eines als mögliche Bipolarplatte funktionsfähigen Forschungsfunktionsmusters umgesetzt werden. Da die Qualität des Bauteils im wesentlichen Maße vom verwendeten Halbzeug abhängt, erfolgte anschließend die Analyse der Auswirkung bei der Verwendung verschiedener Gefügezustände des bereits vorab genutzten 1.4404-Edelstahls. Die durch die Größeneffekte in Wechselwirkung auftretenden Mechanismen bei der Umformung von Halbzeugen der Dicke 0,1 mm wurden mit einem breiten Spektrum von Analyseverfahren wie Röntgendiffraktometrie und Elektronenrückstreubeugung untersucht. Basierend auf den Ergebnissen erfolgte die Auswahl eines für die Fertigung metallischer Bipolarplatten verbesserten Halbzeugzustands, welcher dem aktuell eingesetzten Standard-Ausgangszustand widerspricht. Als finaler Forschungsgegenstand erfolgte der erstmalige Einsatz des Walzformverfahres zur Herstellung relevanter abgeschlossener Bipolarplatten-Kanalstrukturen. Die numerische und experimentelle Umsetzung und die darauf aufbauende Optimierung einer kontinuierlichen Bipolarplattenfertigung zeigt im experimentellen Maßstab ein hohes Potential für eine wirtschaftliche Umsetzung in der Serienfertigung. Die innerhalb der Arbeit erlangten Ergebnisse ermöglichen zusammen einen weiteren Schritt zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung von Bipolarplatten und somit ferner von PEM-Brennstoffzellen. / To strengthen the economical relevance of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEM-FC) as an alternative drive solution, this doctoral thesis deals with the manufacturing of metallic bipolar plates by forming. Bipolar plates are required in a high amount within fuel cell stacks and the enhanced geometrical, physical and chemical demands make them to one of the most costly parts. To decrease the production costs and the costs per unit, the purpose of the thesis is a contribution to finding a solution for the related challenges. At first, the development of a fast and flexible numerical calculation tool for the deep drawing of preliminary test samples made from 316L-foils with a thickness of 0.1 mm was conducted. The fundamentals were set through a comparison between multiple model setups within different finite-element programs which are specialized in forming operations. With the help of a comprehensive material characterization and the verification with experimental tests as well as the development of a safety factor, the most suitable model was chosen. With the calibrated numerical model the process of forming the preliminary test samples was optimized followed by the transfer of the findings to the manufacturing process of an enhanced test sample which includes all of the functionalities as they can be found within operable bipolar plates. As the quality of the manufactured parts essentially depends on the used semi-finished product, an evaluation of effects caused by variating microstructures from the previously used 316L stainless steel was implemented. The specific mechanisms which appear during the forming process of 0.1 mm metal foils and which were caused by size effects were characterized by a wide spectrum of analytical methods like X-ray diffraction and electron backscatter diffraction. Based on the results an optimized initial state of the semi-finished product was determined, which contradicts the state of the art that is currently being used for the forming of metallic bipolar plates. The final object of research was conducted with the first-time application of a roll-forming process to produce geometrical relevant closed bipolar plate channel contours. The numerical and experimental tests followed by an optimization of the continuous bipolar plate rolling show a high potential for an economical realization of a series production. The results gained from this thesis enable a further step towards an increase of economic efficiency in the production of metallic bipolar plates and further PEM fuel cells.

Brennstoffzellen-Stapel werden zu Beginn ihres Bauteil-Lebens einmal abschließend fix verspannt. Für das Kompressionsverhalten der Einheitszelle ist das Material der Bipolarplatte eine maßgebliche Einflussgröße. Auf Ebene der Bipolarplatte werden allgemein zwei Basismaterialien verwendet; beschichtete Metallplatten und Carbonplatten. Metallische Bipolarplatten bestehen aus dünnen Blechen. Bipolarplatten aus Carbon sind Vollkörper-Elemente aus carbongraphitischem Kompositmaterial, in deren Vollkörper die geometrische Struktur des Plattendesigns eingebettet ist. In diesem Beitrag wird ein Vergleich zwischen der Verpressung von Metallplatten-Stapeln gegenüber Carbonplatten-Stapeln auf Basis von produktionsnahen, statistischen Daten herangezogen. Hierbei ist das jeweils unterschiedliche Kompressionverhalten der Brennstoffzellen-Stapel mit ihren entsprechenden Federelementen entscheidend. Der Vergleich zeigt, dass ein fundamentaler Unterschied im Kompressionsverhalten zwischen beschichteten Metallplatten und komposit-basierten Carbonplatten besteht. Dies ist insbesondere im Hinblick auf großserien-taugliche Produktionsverfahren entscheidend, bei dem eng getaktete Stapel- und Verspannprozesse eine Schlüsselstelle im Aufbau von Brennstoffzellen-Stapeln als Massenprodukt darstellen. / Fuel cell stacks are finally clamped in place at the beginning of their component life. The material of the bipolar plate is a decisive influencing factor for the compression behavior of the unit cell. Two basic materials are generally used at the level of the bipolar plate; coated metal plates and carbon plates. Metallic bipolar plates consist of thin sheets. Bipolar plates made of carbon are full-body elements made of carbon-graphitic composite material, in whose full body the geometric structure of the plate design is embedded. This article uses a comparison between the compression of metal plate stacks versus carbon plate stacks on the basis of production-related statistical data. The different compression behavior of the fuel cell stacks with their corresponding spring elements is decisive here. The comparison shows that there is a fundamental difference in the compression behavior between coated metal plates and composite-based carbon plates. This is particularly important with regard to production processes suitable for large-scale series, in which closely-timed stacking and clamping processes represent a key point in the construction of fuel cell stacks as a mass product.

Stainless steel bipolar plates are a possible replacement for graphite and composite bipolar plates in fuel cells. However, due to a native oxide layer they exhibit a high interfacial contact resistance (ICR) which lowers the performance. Conductive coatings like gold are a possible solution because they can reduce the contact resistance of metallic bipolar plates. We investigate the pulsed cathodic arc technique for deposition of carbon-based thin films on austenitic stainless steel 316L as cost-efficient alternative. Different types of coatings were prepared by varying the layer structure and processing parameters. Potentiodynamic polarization tests and ICR measurements were conducted to evaluate the performance of the films as conductive and corrosion resistant coatings. It was found that the corrosion resistance of coated austenitic steel samples is improved by both coatings and that measured ICR-values are well below the DOE 2020 target of 10 mΩ/cm2.