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.

Eine kompakte und effiziente Wasserstofferzeugung aus verfügbaren Energieträgern ist für die Marktfähigkeit von Brennstoffzellenheizgeräten essentiell. Der Auslegung von Reformern für PEM-Brennstoffzellen kommt eine große Bedeutung zu, da bei diesem Brennstoffzellentyp keine interne Reformierung möglich ist. In dieser Arbeit werden die mathematische Modellierung der Dampfreformierung von Erdgas, die Rolle der eingesetzten Katalysatoren und die Problematik von Wärme- und Stofftransportprozessen untersucht. Für fünf kommerzielle Nickel- und einen Rhodiumkatalysator werden die Kinetik, die effektive Wärmeleitfähigkeit und der Diffusionskoeffizient ermittelt. Unter Verwendung dieser Werte wird in einem Einzelpartikelmodell die Existenz und Signifikanz von intra- und extrapartikulären Stoff- und Temperaturgradienten evaluiert. Daraus werden für ein quasihomogenes Reaktormodell Modellparameter abgeleitet, die eine exakte Simulation unter Berücksichtigung der relevanten Phänomene zulassen. Schließlich wird ein Reaktormodell erstellt, welches mit Messwerten aus einem Versuchsreaktor validiert und für eine Sensitivitätsanalyse verwendet wird.

Für PEM-Brennstoffzellen-Mikro-BHKW mit integrierter Dampfreformierung ist die Verwendung von LPG (Liquefied Petroleum Gas) bei fehlender Erdgasinfrastruktur interessant. Grundlage der BHKW-Effizienz ist eine optimale wärmetechnische Verschaltung, durch die u.a. das LPG/H2O-Gemisch effektiv auf die Reaktionstemperatur (700 °C) der Dampfreformierung vorgewärmt wird. In Abhängigkeit von der Verweilzeit, der das Gemisch ausgesetzt wird, können signifikante Mengen ungesättigter Kohlenwasserstoffe (C3H6, C2H4, C2H2) pyrolytisch gebildet werden, C3H6 kann des Weiteren bereits im LPG enthalten sein. Bei der katalytisch unterstützten Dampfreformierung fördert dies die Bildung verschiedenartiger kohlenstoffhaltiger Ablagerungen, wodurch eine vorzeitige Deaktivierung eintritt. In der Arbeit wird das Spaltpotenzial numerisch und experimentell untersucht. Durch Anwendung von Temperatur-Programmierter-Methanisierung und Ramanspektroskopie wird ferner der negative Einfluss bereits geringer C3H6-Anteile an einem Katalysator gezeigt. Aus den Ergebnissen werden abschließend Maßnahmen zur Minimierung kohlenstoffhaltiger Ablagerungen abgeleitet. / The use of LPG (Liquefied Petroleum Gas) is an alternative for PEM fuel cell micro-CHP systems with integrated steam reforming in the absence of natural gas infrastructure. An optimized thermo technical interconnection is the basis of the CHP efficiency, whereby, among other things, the LPG/H2O-mixture is preheated to the steam reforming reaction temperature (700 °C). Significant amounts of unsaturated hydrocarbons (C3H6, C2H4, C2H2) can be formed pyrolytically depending on the residence time for preheating the mixture; furthermore, C3H6 can be already a component of LPG. These species promote the formation of different carbon containing deposits on the reforming catalyst whereby a premature deactivation occurs. The thesis deals with the investigation of the pyrolysis potential using numerical as well as experimental methods. Furthermore, the negative effect of already low amounts of unsaturated hydrocarbons on a catalyst is shown by using Temperature-Programmed-Methanation and Raman spectroscopy. Finally, actions for avoiding the production of carbon containing deposits are derived from the results.

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.

Diese Arbeit setzt sich mit der Gesamtheit des Antriebsstrangs vom Brennstoffzellen-Modul bis zum Rad auseinander. Hierfür wird das Verhalten der Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle als Einzelzelle und zusammengeschalten als Stack mithilfe eines vereinfachten Greybox-Modells in MATLAB/Simulink® beschrieben. Das Modell, welches zudem an ein idealisiertes aber aussagekräftiges Antriebsstrangmodell gekoppelt ist, erlaubt die Auslegung der Antriebskomponenten für konkrete Betriebsszenarien unter Variation der zu- und abgeführten Medien sowie der Zustandsgrößen Temperatur und Druck. Simulierte Drehmomentverläufe im berechneten Motorkennfeld mit effektivem Arbeitspunkt, Zwischenkreisspannungen und auftretende Verluste in den elektrischen Komponenten bieten die Grundlage, um bereits in der Entwicklungsphase das Zusammenwirken der Antriebskomponenten abzuschätzen und den Antriebsstrang für ein Demonstratorfahrzeug auslegen zu können. / This work addresses the entirety of the powertrain from the fuel cell module to the wheel. For this purpose, the behaviour of the low-temperature polymer electrolyte fuel cell as a single cell and assembled as a stack is described using a simplified greybox model in MATLAB/Simulink®. The model, which is also coupled to an idealized but conclusive powertrain model, allows the design of the powertrain components by varying the media supplied and discharged as well as the state variables temperature and pressure. Simulated torque progressions in the calculated engine characteristics with the effective operating point, DC link voltages and losses occurring in the electrical components provide the basis for estimating the interaction of the powertrain components in the development phase and for dimensioning the powertrain for a demonstrator vehicle.

Für die Wasserstoffnutzung in der Mobilität ist eine Verdichtung des Wasserstoffes nötig. Mechanische Verdichter haben verschiedene Nachteile und sind insbesondere für Anwendungen mit kleinen Volumenströmen und hohen Druckverhältnissen schwierig darzustellen. Der elektrochemische Wasserstoffkompressor (EHC), der auf der PEM-Technologie basiert, bringt in dieser Anwendung deutliche Vorteile mit sich. Dank ihm könnte auch eine Home-Fueling-Lösung für Einfamilienhäuser technisch und wirtschaftlich sinnvoll sein. In der vorliegenden Untersuchung wird hierfür eine energetische Analyse durchgeführt, um zu zeigen, dass aus energetischer Sicht die regenerative Wasserstoffbetankung zu Hause möglich ist. Anschließend werden noch der EHC und erste Messergebnisse zu ihm vorgestellt. Es wird gezeigt, dass das Home-Fueling-Konzept mit dem EHC grundsätzlich technisch möglich und sinnvoll ist. / For the use of hydrogen in mobility, a compression of the hydrogen is necessary. Mechanical compressors have various disadvantages and are difficult to produce, especially for applications with small volume flows and high-pressure ratios. The electrochemical hydrogen compressor (EHC), which is based on the PEM technology, has significant advantages in this application. Thanks to him, a home refueling solution for single-family houses could also be technically and economically viable. In the present study, an energetic analysis is carried out to show that, from an energetic point of view, regenerative hydrogen refueling at home is possible. Then the EHC and the first measurement results will be presented. It is shown that the home refueling concept with the EHC is basically technically possible and viable.

Der Wandel von konventionellen Antriebskonzepten hin zu Alternativen wie der Brennstoffzellentechnologie vollzieht sich in einem sehr dynamischen Umfeld. Entsprechend komplex gestaltet sich die Problemstellung, eine Fabrik zum gegenwärtigen Zeitpunkt mit langfristigem wirtschaftlichem Erfolgspotential zu dimensionieren. Im folgenden Beitrag wird ein Ansatz vorgestellt, der die Einbeziehung der Umweltsituation in den Fabrikplanungsprozess ermöglicht. Unter Anwendung des System Dynamics-Ansatzes wird ein Simulationsmodell aufgebaut, welches die Auswirkungen von Umwelteinflüssen auf die Kapazitätsdimensionierung darstellt. Dabei werden Umweltdaten aus dem öffentlichen, technologischen und wirtschaftlichen Umfeld der Brennstoffzellenfertigung erhoben. Die so erhobenen Daten dienen als Grundlage für die Bestimmung von Modellierungsparametern, welche die wesentlichen Umwelteinflüsse repräsentieren. Im anschließenden Simulationslauf wird das dynamische Zusammenspiel der Einflüsse betrachtet und mit einer monetären Bewertung untersetzt. Die aus dem Simulationsmodell gewonnenen Ergebnisse belegen, dass die weitgehende Berücksichtigung von Umweltdaten im Umfeld der Brennstoffzellenfertigung praktikabel ist und zu vorteilhafteren Planungsergebnissen beitragen kann. / The shift from conventional drive concepts to alternatives such as fuel cell technology is taking place in a very dynamic environment. The problem of dimensioning a factory with long-term economic success potential is correspondingly complex. In the following paper an approach is presented which allows the inclusion of environmental factors into the factory planning process. Using the System Dynamics approach, a simulation model is built which represents the effects of environmental influences on capacity dimensioning. Environmental data from the public, technological and economic environment of fuel cell manufacturing are collected. The collected data serves as a basis for the determination of modeling parameters, which represents the main environmental influences. In the subsequent simulation run, the dynamic interaction of the influences is considered and underpinned with a monetary evaluation. The results obtained from the simulation model prove that the extensive consideration of environmental data in the environment of fuel cell production is practicable and can contribute to more advantageous planning results.

Innerhalb des Forschungsprojekts “InduRex” sollen u.a. dünnwandige Graphit-Polymer Bipolarplatten (BPP) für Brennstoffzellen (BZ) entwickelt werden. Der Fokus liegt dabei auf hochgefüllten Compoundmaterialien und Prozesstechniken zur kontinuierlichen Herstellung dünnwandiger Folien. Dabei wird die gesamte Prozesskette, beginnend von der Auswahl der verwendeten Rohstoffe, über die Folienherstellung bis hin zur Einbringung der erforderlichen Strukturen betrachtet. Die vom „Department of Energy“ festgelegten physikalischen und chemischen Zielwerte werden auch für die Folien als Zielvorgabe gesetzt. Der Schwerpunkt der wissenschaftlichen Arbeit liegt auf einem grundlegenden Verständnis der Materialzusammensetzung und deren Zusammenhang mit den endgültigen Eigenschaften der strukturierten Bipolarplatten, sowie deren Leistung in einem Brennstoffzellenstapel. Die hergestellten Bipolarplattenfolien wurden vor einem Zelltest umfassend hinsichtlich elektrischer Widerstände, H2-Permeation, Warmformbeständigkeit u.a. charakterisiert, um den Einfluss des Produktionsprozesses auf ihre Qualität zu bewerten. / Within the research project 'InduRex', thin-walled graphite-polymer bipolar plates (BPP) for fuel cells (FC) are to be developed, among other things. The focus is on highly filled compound materials and process technologies for the continuous production of thin-walled foils. The entire process chain, starting with the selection of the raw materials used, through film production, to the insertion of the required structures, will be considered. The physical and chemical target values defined by the 'Department of Energy' are also set as targets for the films. The focus of the scientific work is on a fundamental understanding of the material composition and its relationship to the final properties of the patterned bipolar plates, as well as their performance in a fuel cell stack. The fabricated bipolar plate films were extensively characterized in terms of electrical resistances, H2 permeation, heat deflection temperature, and others prior to a cell test to evaluate the impact of the production process on their quality.

Nowadays, shorter product life cycles and fluctuating demand quantities require flexible and adaptable production planning techniques. Fuel cell technology offers an innovative product, for which future demands in terms of quantities and variety are difficult to predict making it hardly possible to plan demand-adequate production capacities. One feasible solution is the application of Discrete Event Simulations (DES) with a high degree of adaptability and scalability. In this paper, a concept for the modular simulation of assembly lines with scalable automation is introduced and applied to an assembly line for fuel cell stacks. The model presents a modular and hierarchical system structure, which allows for adaptability and reusability. The model can be easily integrated on a factory level to study the behavior of parallel assembly lines. For an industrial use case different experiments offer valuable insights for the optimization, the automation and the upscaling of the assembly. / Kürzere Produktlebenszyklen und schwankende Bedarfsmengen erfordern heute flexible und anpassungsfähige Produktionsplanungstechniken. Die Brennstoffzellentechnologie bietet ein innovatives Produkt, dessen zukünftige Nachfrage hinsichtlich Stückzahl und Vielfalt nur schwer vorhersehbar ist und somit kaum bedarfsgerechte Produktionskapazitäten planbar sind. Eine mögliche Lösung ist die Anwendung von Discrete Event Simulations (DES) mit einem hohen Maß an Anpassungsfähigkeit und Skalierbarkeit. In diesem Beitrag wird ein Konzept zur modularen Simulation von Montagelinien mit skalierbarem Automatisierung vorgestellt und auf eine Montagelinie für Brennstoffzellenstacks angewendet. Das Modell nutzt eine modulare und hierarchische Systemstruktur, die Anpassungsfähigkeit und Wiederverwendbarkeit ermöglicht. Das Modell kann leicht auf Fabrikebene integriert werden, um das Verhalten paralleler Montagelinien zu untersuchen. Für einen industriellen Anwendungsfall bieten verschiedene Experimente wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung, Automatisierung und Hochskalierung der Montagelinie.