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.

Getrieben durch die weltweiten Bemühungen zur CO2-Reduktion für mobile Anwendungen stellt die Brennstoffzelle als alternativer Energiewandler einen Schwerpunkt der aktuellen Forschungstätigkeit dar. Während die allgemeine Funktionstüchtigkeit bereits mehrfach durch Kleinserien verschiedener OEMs bewiesen wurde, scheitert eine breite Markteinführung nach wie vor an den hohen Fertigungskosten des Systems. Insbesondere metallisch umgeformte Bipolarplatten werden als aussichtsreiche Möglichkeit zur Kostenreduktion von Polymerelektrodenmembran (PEM)-Brennstoffzellensystemen angesehen. Den vergleichsweise günstigen Werkstoffkosten und der hohen Produktivität von Umformprozessen steht die Herausforderung gegenüber, dass Metalle in saurer Umgebung dazu neigen, in Lösung zu gehen. Die ausgeschwemmten Ionen verunreinigen die Membrane Electrode Assembly (MEA) und führen letztendlich zu deren Versagen. Daher ist eine Beschichtung zum Korrosionsschutz zwingend notwendig. Diese setzt gleichzeitig den Kontaktwiderstand herunter und erhöht den Wirkungsgrad des Systems. Aus wirtschaftlicher Sicht ist ein Beschichtungsprozess vor dem Umformen, auf planares Substrat zu bevorzugen, da geneigte Oberflächen diesen erschweren. Dazu muss die Voraussetzung erfüllt werden, dass die Beschichtung nach dem Umformvorgang weiterhin ausreichend Korrosionswiderstand bietet und der Kontaktwiderstand innerhalb des Zielwertes bleibt. Um ebendiese Relationen näher zu erforschen, erfolgte zunächst die Herstellung von Probekörpern mit einem definiert eingebrachten Umformgrad. Als Probenmaterial wurde eine mit amorphem Kohlenstoff beschichtete 1.4404-Metallfolie der Dicke 0,1 mm genutzt. Dazu konnte innerhalb von numerischen Berechnungen zunächst ein Spektrum verschieden ausgeprägter Umformgrade im einachsigen Zugversuch berechnet werden, während nachfolgend die experimentelle Herstellung mit Hilfe einer Zug-Druck-Prüfmaschine erfolgte. Die nachfolgend geplante Erforschung der Abhängigkeit von dem nach Department of Energy (DoE) gemessenen Korrosionsstrom führte zu umfassenden Herausforderungen bei der Erfassung der Korrosionsstromdichten. Um diese näher zu detaillieren erfolgte eine Analyse zum Aufbau der Messsysteme sowie den damit einhergehenden bereits identifizierten Problemen im Dichtkonzept. Nachfolgend wurde eine exakte Betrachtung der weiterführenden Messunsicherheiten sowie damit einhergehender Interpretationsschwierigkeiten der Messergebnisse dargestellt. Als Auswertungsgröße dienten hierfür die innerhalb der Experimente ermittelten Messkurven.

Eine der Schlüsselkomponenten der Brennstoffzelle ist die Bipolarplatte (BPP) welche den Kern eines Brennstoffzellensystems bildet und hierbei die mechanische Hauptstruktur des Brennstoffzellenstapels bildet. Die Bipolarplatte sorgt aber nicht nur für die Stabilität des Stacks, sondern übernimmt weitere Aufgaben wie die elektrische Verbindung der Zellen, die Gasverteilung über die Fläche der Platten, Gastrennung zwischen angrenzenden Zellen, Dichtung nach außen und Kühlung. Zentrale Zielstellung ist somit mittels alternativer Anbindungs- bzw. Fügeverfahren, wie der Einsatz leitfähiger Kleber, isolierender Kleber, sowie Laser- und Widerstandsschweißung eine anforderungsgemäße Verbindung der metallischen Bipolarplatten zu schaffen bei möglichst geringer Einschränkung der Korrosionsbeständigkeit. Gleichzeitig im jeweiligen Verfahren soll dabei eine gleichmäßigere Strom- u. Wärmeverteilung auf der Platte erzielt werden. Darüber hinaus beeinflusst die Anzahl der Schweiß- und/oder Klebepunkte, welche auf einer metallischen Bipolarplatte aufgebracht werden, die Alterung der Zellen, bedingt durch Wechselwirkungen zwischen dem Material der Bipolarplatten sowie der eingesetzten Klebematerialien, oder die Beschädigung der Korrosionsschutzbeschichtung der metallischen Bipolarplatten durch verschiedenste Schweißverfahren. Somit müssen die Anbindungspunkte der metallischen Bipolarplatte so ausgeführt werden, dass die Entstehung von Hot Spots und Korrosionsschwerpunkten vermieden wird, wobei eine ausreichende Strom- und Wärmeleitfähigkeit erzielt wird. / One of the key components of the fuel cell is the bipolar plate (BPP), which forms the core of a fuel cell system and is the main mechanical structure of the fuel cell stack. However, the bipolar plate not only ensures the stability of the stack, but also performs other tasks such as the electrical connection of the cells, gas distribution over the surface of the plates, gas separation between adjacent cells, sealing to the outside and cooling. The central objective is thus to create a connection between the metallic bipolar plates that meets the requirements using alternative connection and joining processes, such as the use of conductive adhesives, insulating adhesives, as well as laser and resistance welding, with the least possible restriction of corrosion resistance. At the same time, a more even current and heat distribution on the plate is to be achieved in the respective process. Furthermore, the number of welding and/or bonding points applied to a metallic bipolar plate influences the ageing of the cells due to interactions between the material of the bipolar plates and the bonding materials used, or the damage to the anti-corrosion coating of the metallic bipolar plates caused by various welding processes. Thus, the connection points of the metallic bipolar plate must be designed in such a way that the formation of hot spots and corrosion foci is avoided, while sufficient current and heat conductivity is achieved.

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.

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.

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.

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.

The results of the measurements presented in this manuscript show that none of the coatings has a significant impact on the performance degradation over the course of cell reversal cycling. However, for the EOL polarization curves, the voltage is significantly decreased for the carbon coatings compared to the Au coating. Further experiments should be performed here to determine if these are measurement inaccuracies or if the trend is confirmed. The BIP coatings Cr/a-C also perform worse in the resistance measurements of the HFR and ICR, with the pre-coat variant having the highest values after the tests. The surface changes, which can be seen in the area of the BIP deflections, probably also have an influence here. These appear to be more distinct for the BIP coating Cr/a-C pre-coat. Here, it should be analyzed in more detail how the surface changes and whether metal ions can emerge. The use of the BIP coatings Cr/a-C post- and pre-coat offers a lot of potential, both economically and technically, but cannot be recommended without reservation, as further investigations are still required. / Die Ergebnisse der in diesem Manuskript vorgestellten Messungen zeigen, dass keine der Beschichtungen einen signifikanten Einfluss auf die Leistungsverschlechterung im Verlauf der Cell Reversal Zyklen hat. Bei den EOL Polarisationskurven ist die Spannung bei den Kohlenstoffbeschichtungen jedoch deutlich niedriger als bei der Au-Beschichtung. Hier sollten weitere Experimente durchgeführt werden, um festzustellen, ob es sich um Messungenauigkeiten handelt oder ob der Trend bestätigt wird. Die BIP-Beschichtungen Cr/a-C schneiden auch bei den Widerstandsmessungen des HFR und ICR schlechter ab, wobei die pre-coat nach den Tests die höchsten Werte aufweist. Wahrscheinlich haben auch hier die Oberflächenveränderungen, die im Bereich der BIP Umlenkungen zu sehen sind, einen Einfluss. Diese scheinen bei der BIP Beschichtung Cr/a-C pre-coat deutlicher ausgeprägt zu sein. Hier sollte noch genauer analysiert werden, wie sich die Oberfläche verändert und ob Metallionen austreten können. Der Einsatz der BIP Beschichtungen Cr/a-C post- und pre-coat bietet sowohl wirtschaftlich als auch technisch viel Potenzial, kann aber nicht uneingeschränkt empfohlen werden, da noch weitere Untersuchungen erforderlich sind.