Flexible Produktion elektrochemischer Zellen (HyInnoCells) - E

Abstract

Das Verbundforschungsprojekt HyInnoCells (Förderkennzeichen 03ZU1115JE) zielte auf die Entwicklung innovativer poröser Transportstrukturen (Gas Diffusion Layers, GDL) für die PEM-Elektrolyse zur effizienten Erzeugung von grünem Wasserstoff. Im Zentrum standen neuartige, mittels Streckmetalltechnologie erzeugte dreidimensionale Titan- und Edelstahlstrukturen, die sowohl mechanisch als auch elektrochemisch optimiert werden sollten. Die Bender GmbH verantwortete hierbei wesentliche Schritte der Werkstoffidentifikation, Prototypfertigung, Formgebungsprozesse, Werkzeugentwicklung sowie die Untersuchung der Skalierbarkeit industrieller Produktionsprozesse.

Zur Ermittlung geeigneter Substrate wurden verschiedene metallische Werkstoffe hinsichtlich Korrosionsstabilität, Kontaktwiderstand und Verarbeitbarkeit bewertet. Aufgrund der extrem korrosiven Bedingungen in PEM-Systemen erwies sich Titan Grade 1 als einzig dauerhaft beständiger Werkstoff; kostengünstigere Edelstahlvarianten (z. B. 1.4404/316L) erfüllten trotz Beschichtungsansätzen die Anforderungen nicht . Anschließend wurden mittels Streckmetallverfahren feinporige Strukturen in unterschiedlichen Maschengeometrien produziert. Die Werkzeuge wurden hierfür vollständig neu konstruiert und aus Hartmetall gefertigt, was die Standzeiten gegenüber HSS-Stählen von 10.000 auf über 1.000.000 Hübe erhöhte (Faktor 100) .

Die elektrochemische Bewertung erfolgte über anisotrope Vierpunkt-Messungen des spezifischen Flächenwiderstands. Dabei zeigte sich, dass stets beide Richtungen (SWD/LWD) unabhängig voneinander charakterisiert werden müssen. Optimale Ergebnisse erzielte ein Titan-Gitter mit einer 4-mm-Teilung (LWD): 1,55 mΩ/m² (LWD) und 3,14 mΩ/m² (SWD) bei ca. 18 % Kontaktierungsfläche . Kleinere Teilungen (2,5 mm) führten aufgrund des sogenannten Flat-Spot-Effekts zu einer verbesserten Stromübertragung (22 % Kontaktierungsfläche) und reduzierten Widerständen. Nachfolgende Analysen zur mechanischen Federsteifigkeit bestätigten, dass kleinere Maschengeometrien ein steiferes, für die PEM-Kontaktierung vorteilhaftes Federverhalten erzeugen.

Im Projekt wurden zudem mehrlagige GDL-Aufbauten untersucht, bei denen durch kreuzlagiges Verschweißen der Maschen optimale Kontaktpunkte und homogenere Kraftverteilungen erreicht wurden. Abschließend erfolgte die Entwicklung eines industriell skalierbaren Herstellverfahrens. Eine kontinuierliche Linie aus Abwickler, Streck- und Schneideeinheit, Walz-/Kalibriersektion und automatisiertem Stacker ermöglicht bereits 375.000 Gitter pro Jahr; durch parallel geschaltete Maschinenverbünde ist eine Steigerung auf rund 890.000 bis 980.000 Gitter pro Jahr realisierbar . Die im Projekt erzielten Ergebnisse wurden mittlerweile in eine neue Produktionshalle überführt, in der acht Mitarbeitende die optimierten Gitterstrukturen in Serie fertigen.

HyInnoCells demonstriert damit erstmals die erfolgreiche Übertragung feinporiger Streckmetalltechnologie in die PEM-Elektrolyse, zeigt klare material- und prozessseitige Optimierungspotenziale auf und legt die Grundlage für eine skalierbare, kosten- und wirkungsgradoptimierte Herstellung metallischer GDL-Strukturen im industriellen Maßstab.