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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:71538 |
| Date | 14 August 2020 |
| Creators | Bauer, Alexander |
| Contributors | Awiszus, Birgit, Von Unwerth, Thomas, Technische Universität Chemnitz, Prof. Dr.-Ing. habil. Birgit Awiszus |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa-227515, qucosa:20766 |
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