Brennstoffzellen für Bipolarplatten in der Elektromobilitaet Headergrafik

BRENNSTOFFZELLEN: WERKSTOFFE FÜR LEISTUNGSFÄHIGE BIPOLARPLATTEN

Die Brennstoffzelle als Alternative zur Batterietechnik in elektrifizierten Fahrzeugen gewinnt an Bedeutung. Dies aktuell nicht zuletzt aufgrund der Nationalen Wasserstoffstrategie der Bundesregierung vom Juni 2020. Bei Brennstoffzellen für die Elektromobilität kommt es auf eine hohe Effizienz an, verbunden mit einer kompakten Bauweise. Für beide Aspekte spielt der Stahlwerkstoff der eingesetzten Bipolarplatten eine entscheidende Rolle. Für diese Nutzung liefert Waelzholz hochwertige Präzisionsbandstähle an Pioniere der mobilen Brennstoffzellenanwendungen.

„Mit unseren Werkstoffen für Bipolarplatten von Brennstoffzellen mobiler Anwendungen bewegen wir uns im Spannungsfeld von Effizienz, Dicke, Stabilität und Umformbarkeit“, skizziert Jan Ullosat, Werkstoffingenieur bei Waelzholz, die Anforderungen an die Stähle für diesen Einsatzbereich. Sogenannte Stacks, die Zellstapel der Brennstoffzellen, verfügen in Automobilen über etwa 400 Zellen, um die nötige Leistung zu erbringen. Die Zellen werden mit Bipolarplatten voneinander getrennt, sodass jede Zelle auf der linken und rechten Seite über je eine Bipolarplatte verfügt. Jede dieser Bipolarplatten besteht aus zwei Blechen. „Wir sprechen demnach von rund 800 Blechzuschnitten, die in einer Brennstoffzelle für ein Automobil verbaut sind. Da im Fahrzeug der Platz für Aggregate beschränkt ist, müssen die Platten möglichst dünn sein, damit die Gesamtkonstruktion den geringstmöglichen Bauraum beansprucht“, erklärt Ralf Sauer aus dem Vertrieb.

 

BESTE STABILITÄT UND UMFORMBARKEIT DANK OPTIMIERTER HERSTELLUNGSPROZESSE

Was „möglichst dünn“ bedeutet, spezifiziert Ullosat: „Wir sind in der Lage, für diese Anwendung extrem dünne rostfreie Präzisionsbandstähle im Bereich von 75 bis 100 µm herzustellen. Zum Vergleich: Das entspricht in etwa der Dicke eines menschlichen Haares. Das Anspruchsvolle dabei ist, zwei Anforderungen miteinander zu verbinden. Einerseits muss sich der Werkstoff gut umformen lassen, da die Bipolarplatten über eine komplexe Struktur von Gaskanälen – die sogenannten Flow-Fields – verfügen. Andererseits ist eine sehr hohe Formstabilität der Platten gefragt, die durch unseren Werkstoff und das Platten-Design unserer Kunden maßgeblich bestimmt wird.“ Die Formstabilität ist im Speziellen für den Einsatz in mobilen Anwendungen relevant, da die gesamte Brennstoffzellen-Konstruktion im Fahrbetrieb durch Erschütterungen und Schwingungen strapaziert wird. Ullosat: „Bipolarplatten besitzen eine sehr komplexe Geometrie, die für die Stabilität im späteren Einsatz sorgt. Für die Realisierung dieser Geometrien benötigen unsere Kunden Werkstoffe mit einer ausgesprochenen Strapazierfähigkeit für die aufwändigen Umformprozesse. Der Weg dorthin ist ein Fertigungsrouting mit speziell aufeinander abgestimmten Walz- und Wärmebehandlungsprozessen zur Erlangung hervorragender Umformeigenschaften der extrem dünnen Präzisionsbandstähle. Unser Kunde erhält von uns einen absolut isotropen Werkstoff, der für komplexe Umformprozesse auch mit engen Biegeradien im wahrsten Sinne des Wortes wie geschaffen ist.“ Eine weitere Anforderung im Zusammenhang mit der Umformung und dem späteren Einsatz ist die Planlage: Bipolarplatten besitzen eine multidimensionale Struktur mit hauchfeinen Kanälen für den Flüssigkeits- und Gastransport. Eine gute Planlage sorgt dafür, dass diese Kanäle über das gesamte Plattenformat exakt und passgenau eingebracht werden können.

 

ROSTFREIER EDELSTAHL MIT HÖCHSTEN REINHEITSGRAD-ANFORDERUNGEN

Waelzholz nutzt eine spezielle Güte rostfreien Edelstahls für die Anwendung in Brennstoffzellen. Um noch mehr elektrische Leistung zu erzielen, wird diese von den Kunden beschichtet. Die Vorteile des Waelzholz-Werkstoffs erläutert Ullosat: „Die Beschichtung im Detail ist jeweils ein ganz individuelles Kundenthema und hat einen signifikanten Einfluss auf die Performance der Brennstoffzelle. Mit Blick auf die Topologie der Oberfläche haben wir mit unserem Material und unserer Kompetenz hier alle Möglichkeiten. Wir können die Rauheit der Werkstoffoberfläche exakt so einstellen, wie der Kunde es für seine Beschichtung benötigt.“ Und: Sollte die Beschichtung im Zuge der Umformprozesse oder im späteren Einsatz einmal beschädigt werden, so verhindert das rostfreie Waelzholz-Material die Korrosion der Bipolarplatten. Ullosat: „Dies ist ein bedeutender Sicherheitsaspekt, denn würden die Platten durchrosten, könnte es zum Ausfall der Einzelzelle und in dessen Folge zum Totalausfall des gesamten Brennstoffzellen-Stacks kommen.“ Vertriebsfachmann Sauer ergänzt einen weiteren Vorteil des Materials: „Die Brennstoffzellen-Hersteller erwarten von uns Werkstoffe mit einem enorm hohen Reinheitsgrad. Der Grund ist, dass Einschlüsse im Material die Umformeigenschaften in diesem geringen Material-Dickenspektrum nachteilig beeinträchtigen könnten. Mit einer engmaschigen und hochgradig peniblen Prüfung der uns zugelieferten Rohmaterialien stellen wir den geforderten Reinheitsgrad bestmöglich sicher.“

 

BERATUNGSKOMPETENZ UND ENGINEERING-SERVICES

„Die meisten unserer Kunden binden uns frühzeitig in Ihren Produktentwicklungsprozess mit ein“, so Ullosat. „Mit unserer Erfahrung unterstützen wir sie dabei, ihr Projekt zu optimieren und möglichst viele Freiheitsgrade nutzbar zu machen. Das ist vor allem jetzt in der Pionierphase der Brennstoffzellen für Mobilitätsanwendungen besonders wichtig. Unser wertvollstes Know-how neben der Beherrschung unserer Kernprozesse ist dabei, alle vor- und nachgelagerten Prozesse in der Wertschöpfungskette in der Tiefe zu kennen. So generieren wir vielfach Potenziale, die für den Kunden einen echten Mehrwert bieten.“

Sauer ergänzt: „Unser Service beginnt bereits bei der Verfügbarkeit erster Testmaterialien. Wir haben Probecoils unterschiedlicher Werkstoffvarianten für den Einsatz in Bipolarplatten auf Lager. So können wir Kunden bei Interesse sofort Material zur Verfügung stellen. Zeit ist für unsere Kunden ein wichtiger Faktor, da die Nationale Wasserstoffstrategie den Bedarf an mobilen Brennstoffzellen-Lösungen vorantreiben wird.“

 

Möchten Sie mehr über unsere hochwertigen Präzisionsbandstähle für Bipolarplatten von Brennstoffzellen erfahren? Hier geht’s zum Download unseres Datenblattes.

DIE BRENNSTOFFZELLE VEREINFACHT ERKLÄRT

Wasserstoff ist ein hervorragender Energieträger, dessen Potenzial mit Hilfe der Brennstoffzelle nutzbar gemacht werden kann. Wer kennt nicht noch die Knallgasexplosion aus dem Chemieunterricht: Wasserstoff und Sauerstoff werden zusammengeführt und entzündet. Wasserstoff- und Sauerstoffatome verbinden sich in einer Kettenreaktion explosionsartig zum Reaktionsprodukt Wasser. In den Gasen Wasserstoff und Sauerstoff ist mehr chemische Energie gespeichert als in Wasser, diese Energiedifferenz wird während der Reaktion freigesetzt. Genau dieser Faktor ist die Kernidee der Brennstoffzelle: Durch die kontrolliert und langsam durchgeführte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser wird Energie frei, die als elektrische Energie genutzt werden kann, zum Beispiel für den Antrieb eines Elektromotors.

Und das geht so (*Abbildung): Ein Brennstoffzellen-Element besteht aus zwei Kammern, die durch eine feine Membran getrennt sind. Der linken Kammer wird H2 (Wasserstoff) zugeführt, der rechten O2 (Sauerstoff). Der Wasserstoff wird auf der Anodenseite (links) unter Einwirkung eines Katalysators in zwei Protonen (+ geladen) und in zwei Elektronen (- geladen) aufgespalten. Der Clou: Die Protonen (H+-Ionen) können über Poren der Membran auf die rechte Seite (Kathodenseite) wandern. Gleichzeitig bildet die Membran einen elektrischen Isolator für die Elektronen, die deshalb nicht passieren können. Sie müssen einen Umweg nehmen: Aufgrund des Potenzialunterschiedes – der durch die Protonenwanderung von der linken zur rechten Seite entsteht – fließen sie über einen äußeren Stromkreis ebenfalls zur Kathode auf der rechten Seite. An diesem Stromkreis ist ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, der Arbeit verrichtet. Dies kann ein Elektromotor sein. An der Kathode wird der zugeführte Sauerstoff (O2) durch die Aufnahme von Elektronen reduziert und bildet mit den Protonen (H+-Ionen) Wasser H2O.

*Abbildung: Veranschaulichung des Brennstoffzellenelementes

Fassen wir nun viele solcher Brennstoffzellen zusammen, erhalten wir einen Zellstapel, den sogenannten Stack. In Automobilen werden Stacks mit etwa 400 solcher Zellen eingesetzt.