Fertigungstechnische Optimierung von Bipolarplatten für Elektrolyseure mit Fokus auf Großserienfertigung

Abstract

Die industrielle Fertigung metallischer Bipolarplatten für PEM-Elektrolyseure erfordert präzise und reproduzierbare Prozesse zur Ausbildung funktionaler Kanalstrukturen (Flowfields). Das Ziel dieser Diplomarbeit bestand darin, die Umformbarkeit solcher Strukturen unter Anwendung verschiedener Verfahren – Prägen (ein- und beidseitig) sowie Tiefziehen – systematisch zu untersuchen und hinsichtlich Formgenauigkeit, Maßhaltigkeit und Prozessstabilität zu bewerten. Dies geschah durch die Variation der Profilgeometrie, des Kanal-Steg-Verhältnisses (RCR) und der Materialstärke. Zu Beginn wurden drei Querschnittsformen – trapezförmig, dreiecksförmig und halbrund – hinsichtlich ihrer Umformeignung verglichen. Das trapezförmige Profil mit mittlerem RCR zeigte sich dabei als die leistungsfähigste Variante. Es zeichnete sich durch eine gute Maßhaltigkeit, Ebenheit und Reproduzierbarkeit aus. Die einseitigen Prägeversuche belegten, dass große und kleine RCR-Werte signifikante Nachteile bei Tiefe und Flankenausbildung mit sich bringen, während das mittlere RCR ausgewogene Ergebnisse – auch bei gebogenen Konturen – lieferte. Beidseitige Prägungen mit paralleler Ausrichtung führten zu den stabilsten Strukturen, während serielle und orthogonale Kombinationen nachteilige Wechselwirkungen verursachten. Die Tiefziehversuche bestätigten grundsätzlich die Eignung des Verfahrens, insbesondere bei dünneren Blechen (0,2 mm). In funktionalen Bereichen wurden rissfreie, jedoch nicht vollständig ausgeprägte Strukturen erzielt. Besonders im zentralen Kanalbereich wirkte sich die limitierende Pressenkraft der eingesetzten Maschine hemmend auf die Profilqualität aus. Ergänzend dazu wurden zwei konstruktive Konzepte für Bipolarplatten im geprägten sowie im tiefgezogenen Zustand entwickelt, welche die jeweiligen fertigungstechnischen Besonderheiten berücksichtigen und eine anschließende Weiterverarbeitung ermöglichen. Die Arbeit liefert eine grundlegende Bewertung der Umformbarkeit unterschiedlicher Kanal-Geometrien sowie Verfahren und schafft eine fundierte Grundlage für die weitere Entwicklung großserientauglicher Fertigungsprozesse zur Umwandlung von erneuerbarem Strom in gasförmige oder flüssige Energieträger.

The industrial production of metallic bipolar plates for PEM electrolysers requires precise and reproducible processes for forming functional channel structures (flow fields). The aim of this thesis was to systematically investigate the formability of such structures using different methods – embossing (single- and double-sided) as well as deep drawing – and to evaluate them in terms of dimensional accuracy, shape fidelity, and process stability. This was carried out by varying the profile geometry, the rib-to-channel ratio (RCR), and the material thickness. Initially, three cross-sectional shapes – trapezoidal, triangular, and semi-circular – were compared regarding their forming suitability. The trapezoidal profile with a medium RCR proved to be the most efficient variant, offering good dimensional stability, flatness, and reproducibility. The single-sided embossing tests showed that both large and small RCR values led to significant disadvantages in depth and flank formation, whereas the medium RCR delivered balanced results – even for curved contours. Double-sided embossing with parallel alignment resulted in the most stable structures, while serial and orthogonal combinations caused unfavourable interactions. The deep drawing tests generally confirmed the suitability of the process, especially for thinner sheets (0.2 mm). In functional areas, crack-free but not fully formed structures were achieved. Particularly in the central channel area, the limited press force of the machine used had a negative impact on profile quality. In addition, two design concepts for bipolar plates – in both embossed and deep-drawn states – were developed, considering the respective manufacturing constraints and enabling subsequent further processing. This thesis provides a fundamental assessment of the formability of different channel geometries and forming processes, offering a solid foundation for the continued development of large-scale manufacturing processes for converting renewable energy into gaseous or liquid energy carriers.