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.

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.

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.

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.