Bipolarplatten: Neue Anlage ermöglicht Massenfertigung

08. April 2024 | Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) hat eine neue Anlage zum Hohlprägewalzen von Bipolarplatten (BPP) entwickelt: die BPPflexRoll. Dies soll die BPP-Produktion revolutionieren, da sie die Herstellungskosten reduziere und eine Massenproduktion ermögliche.

Um eine kontinuierliche Produktion zu ermöglichen, haben Forschende am Fraunhofer IWU in Chemnitz gemeinsam mit der Profiroll Technologies GmbH nun eine neue prototypische Anlage zum Hohlprägewalzen entwickelt. Mit der BPPflexRoll wird die Struktur der BPP durch ein Walzenpaar geprägt. Das dazwischen eingespannte, hauchdünne Metallband laufe kontinuierlich durch die Walzen hindurch. Eine Umformwalze ist als Stempel, die andere als Matrize definiert.

Wasserstoffsysteme sind bislang noch selten und teuer. Dies liegt unter anderem an der aufwändigen und kostspieligen Herstellung der BPP – einer Schlüsselkomponente von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen. Das Hauptproblem sei die diskontinuierliche Batch-Fertigung.

Stefan Polster, Leiter der Forschungsgruppe, erläuterte, dass Bipolarplatten aus jeweils zwei Edelstahl-Halbplatten bestehen. Auf diese werden bisher in einem diskontinuierlichen Umformungsprozess Strukturen für den Gasfluss und die Wärmeabfuhr geprägt und dann gefügt. Er fügte hinzu, dass das neue Hohlprägewalzverfahren das Potenzial habe, diese diskontinuierlichen Prozessketten bzw. Fertigungsschritte durch ein kontinuierliches Verfahren abzulösen, das ohne Verfahrenspausen auskommt. So ermögliche es eine hohe Stückzahlausbringung.

Detail Aufnahme der neuen BPPflexRoll Hohlprägewalzen (© Fraunhofer IWU)

Bis zu zwei Halbplatten pro Sekunde

Robin Kurth, Gruppenleiter für Umformmaschinen am Fraunhofer IWU, betonte, dass ein Vorteil des Hohlprägewalzens insbesondere die höheren Prozessgeschwindigkeiten seien. Bis zu 120 BPP-Halbplatten pro Minute könnten so hergestellt werden. Zudem teilte er mit, dass die Forschenden durch die Umstellung des Herstellungsverfahrens beabsichtigten, die Herstellungskosten für die BPP zu halbieren.

Da die Walzen zum Ausformen der Strömungskanäle mit dem Werkstück annähernd nur einen Linienkontakt haben, können die Prozesskräfte durch die schrittweise Umformung im Vergleich zum konventionellen Hohlprägen durchschnittlich um den Faktor zeh reduziert werden. Dies führe zu einer kleineren, kostengünstigeren Anlagentechnik. Ein weiterer Vorteil der Anlage liegt laut dem Fraunhofer Institut in ihrer Flexibilität: Die Anzahl der erforderlichen Walzensätze lasse sich in Abhängigkeit der Bipolarplattengeometrie individuell anpassen.

Der Prototyp, der aktuell am Fraunhofer IWU im Einsatz sei, bestehe aus drei Walzgerüsten und benötigt eine Aufstellfläche von 4500 mm x 3300 mm. Des Weiteren verfüge er über eine Steuerungstechnik und ein Bedienkonzept, die in wesentlichen Punkten einer industriellen Anlage entsprechen.

Neue BPP werden bereits verwendet

Mit der neuen Versuchsanlage wollen die Forschenden auch einen wichtigen Schritt in Richtung kognitiver Umformmaschinen, die sich mittels Sensorik und intelligenter Algorithmen selbst überwachen und steuern können, gehen.

„Anders als bei bisherigen Anlagen überprüfen wir künftig die Qualität der BPP im laufenden Prozess, indem wir die Prozessparameter mit Sensoren erfassen, zusammenführen und korreliert analysieren können”, erklärte Robin Kurth.

Die Daten werden dann über Cloudlösungen verarbeitet und nutzbar gemacht. Erste mit der Anlage produzierte BPP werden bereits am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Brennstoffzellen getestet.

Erst kürzlich ist dem Fraunhofer IWU ein weiterer Durchbruch für die Produktion der BBP gelungen: Das Elektronenstrahlschweißen. Wie auch dieses die BBP-Herstellung „revolutioniert” lesen Sie hier.

(Quelle: Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU/2024)

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