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GET – GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES – Deutsche Sprache

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„GET – GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES“ ist die neue unabhängige Medienplattform für Energie­versorgung, Effizienzsteigerung und alternative Energieträger und -speicher. In der Industrie gibt es nach wie vor ein hohes Potential, Energie einzusparen. Effizienz ist nicht nur für die Wirtschaftlichkeit eines Unternehmens wichtig, sondern zielführend und ressourcen­schonend. Die Bedeutsamkeit von Effizienz, vor allem in der Energieerzeugung, welche Rolle dabei Wasserstoff, Industrieprozesse, die Ressourcen- und Kreislaufwirtschaft spielen, wie Energie gespeichert werden kann und vieles mehr finden Sie in der neuen GET. „GET – GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES“ ist eine Publikation der PuK. Das Fachmedium wird 2023 in deutscher Sprache am 25. Mai und 7. November als Print- und Digitalausgabe und am 5. Juli und 29. November in englischer Sprache ausschließlich als digitale Ausgabe erscheinen.

Komponenten Wasserstoff

Komponenten Wasserstoff Bipolarplatten und die mehrstufige CellForm ® -Technologie Simon Brugger Damit der Wasserstofftechnologie der Durchbruch in Wirtschaft, Mobilität und Gesellschaft gelingt, müssen noch große Herausforderungen bewältigt werden. Dazu zählen unter anderem die Hauptfaktoren Kosten, Effizienz und Serientauglichkeit. Fortschritte können dabei nur durch intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit erzielt werden. Der Fokus von CellForm liegt hierbei auf der Entwicklung der Schlüsselkomponenten der Wasserstofftechnologie, die Bipolarplatte. Abb. 2: Metallische Bipolarplatte unter einem Messgerät Die Bipolarplatte Die Wasserstofftechnologie besteht aus zwei Prinzipien: der elektrolytischen Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff (Elektrolyse) unter Zufuhr externer Energie und der Nutzung der Energie aus der Rückreaktion (Brennstoffzelle). Diese elektrochemischen Vorgänge laufen in jeder einzelnen Zelle ab, welche im Gesamtverbund als so genannter Stack bezeichnet werden. Hauptbestandteil davon ist die Bipolar platte, welche aus zwei sehr dünnen umgeformten miteinander verschweißten Metallblechen besteht. Pro Stack werden dabei je nach Anwendung mehrere hundert Bipolarplatten verbaut. Wie der Name vermuten lässt, dient eine Bipolarplatte als Basis für Abb. 1: Metallische Bipolarplatte von CellForm die beiden Pole einer Brennstoff zelle: Die negative, wasserstoffführende Anode und die positive, sauerstoffführende Kathode. Zusätzlich sind die Platten für die Verteilung der Gase in einer Brennstoffzelle verantwortlich und sorgen für den elektrischen Kontakt zwischen den einzelnen Zellen. Außerdem trennen sie die Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) voneinander. Die MEA fungiert als semipermeable Membran, welche nur für Protonen durchlässig ist. Die vom Wasserstoff an der Anode abgegebenen Elektronen wandern somit über einen elektrischen Verbraucher zur Kathode. Dieser elektrische Strom kann schließlich als Leistung abgegriffen werden. Die Protonen diffundieren durch die Membran und reagieren schließlich mit den Sauerstoffatomen zu Wasser. Zwischen den dicht verschweißten Einzelplatten wird ein Kühlmedium zur Temperierung der einzelnen Zellen geführt. Die Filigranität der Kanalstruktur des so genannten Flow Fields, welches als Verteilgeometrie für Wasserstoff und Sauerstoff dient, ist in Abbildung 3 zu erkennen. Wasserstoff Vorteile und Nachteile Wasserstoff hat als Energieträger im Vergleich zu alternativen Technologien wie Batterien viele Vorteile. So sind die benötigten Ressourcen in Bezug auf Gewinnung und Recycling nachhaltiger, die Betankungszeit im mobilen Bereich ist deutlich kürzer und wasserstoffbasierte Energieketten haben insgesamt einen potentiell geringeren Gesamtkostenbetrag. Doch der Hauptvorteil von Wasserstoff zeichnet sich in der Energiewende ab: In einer Zukunft mit Energie aus vollständig erneuerbaren Quellen steht unsere Gesellschaft prinzipiell vor einer großen Herausforderung, nämlich den örtlichen und zeitlichen Unterschieden zwischen Energieerzeugung und -nutzung. Die Energieerzeugung aus Wind und 28 GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES 2022

Komponenten Wasserstoff Sonne deckt sich im Gegensatz zu Kernenergie und Kohlekraft nicht immer mit unserem Verbrauchsverhalten. Dies stellt uns vor die Aufgabe, Energie in großem Maßstab zu speichern, um sie zeitunabhängig zu transportieren und zu nutzen. Unter den gegebenen Bedingungen ist Wasserstoff die bestmögliche Lösung für diese Aufgabe. Dabei hat Wasserstoff gegenüber Batterien einen großen Nachteil, was den Gesamtwirkungsgrad betrifft. Wasserstoff wird mittels Elektrolyse nachhaltig hergestellt und in der Brennstoffzelle in seinen ursprünglichen Energiezustand zurückgeführt. Durch diese Umwandlung ergeben sich zwar die oben genannten Vorteile, jedoch geht ein großer Teil der ursprünglichen Primärenergie verloren. Dieser Nachteil ist das zentrale Problem, das es bestmöglich zu lösen gilt. Materialaspekt Bipolarplatten werden hauptsächlich aus metallischen Werkstoffen und Graphit hergestellt. Die verschiedenen Materialien sind mit unterschiedlichen Eigenschaften und Vorteilen für die Funktionalität der Bipolarplatten verbunden. Aufgrund geringer Effizienzvorteile und fehlender Herstellungsverfahren für wettbewerbsfähige metallische Bipolarplatten dominierte in der Vergangenheit die graphitische Alternative. Insbesondere bei anspruchsvollen Anwendungen haben Graphit-Bipolarplatten jedoch erhebliche volumetrische und gravimetrische Defizite gegenüber metallischen Varianten. Außerdem ist Graphit sehr spröde und kann leicht brechen. Dennoch werden Graphitplatten häufig in statio nären Anwendungen eingesetzt, bei denen das Bauvolumen kein limitierender Faktor darstellt. Was die Kosten betrifft, so sind metallische Platten führend. Mit dem richtigen Herstellungsverfahren lassen sich die Blechdicken auf bis zu 0,05 mm reduzieren. In diesem Bereich liegt Metall auf einem völlig anderen Preisniveau als Graphit. Da für einen einzigen Stack mehrere hundert Bipolarplatten verwendet werden, ist die Kostenauswirkung auf die Abb. 3: Flow Field einer Bipolarplatte Endanwendung enorm. Ein weiterer Vorteil der metallischen Variante ist, dass das Material einen positiven Einfluss auf die Kaltstartfähigkeit der Brennstoffzelle hat. Aufgrund des korrosiven Verhaltens des metallischen Materials werden die Bipolarplatten z.B. mit Chromnitrid beschichtet. Dies geschieht in der Regel durch eine thermochemische Behandlung. Die CellForm-Technologie wurde für metallische Bipolarplatten entwickelt und kann sowohl vor- als auch nachbeschichtete Platten formen und verschweißen. Produktion der Bipolarplatten Je nach Material und Anwendung gibt es verschiedene Herstellungsverfahren für Bipolarplatten. Sie unterscheiden sich in Bezug auf die Zykluszeit, die Filigranität des Flow Fields und die Kosten. Eine fertige Bipolarplatte besteht aus einer Anode und einer Kathode, die separat geformt werden. Die beiden Einzelteile werden dann fest miteinander verschweißt. Die Schwierigkeit bei der Herstellung der Bipolarplatten liegt in der extrem dünnen Blechdicke. Die Umformung mit einem solch dünnen Ausgangsblech und einer so präzisen und anspruchsvollen Geometrie der Kanalstruktur führt aufgrund der physikalischen Beschränkungen schnell zu Rissen, welche die Bipolarplatte unbrauchbar machen. Die Herausforderung für die Hersteller von Bipolarplatten ist, wie bereits erwähnt, die hohen Qualitätsanforderungen mit geringen Fehlertoleranzen, die in der Serienproduktion mit hohen Stückzahlen gewährleistet sein müssen. Nur wer diese Anforderung erfüllt, wird sich auf diesem wachsenden und umkämpften Markt behaupten können. Es gibt mehrere Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten, die sich noch in der Entwicklung befinden. Viele Herstellungsverfahren werden aufgrund physikalischer Restriktionen (z.B. Wärmeentwicklung) in ihrer Ausbringungsmenge für die zukünftige Großserienproduktion begrenzt sein. Dieses Problem tritt bei kleinen Stückzahlen noch nicht in Erscheinung, wird aber in den nächs ten Jahren mit steigender Nachfrage immer deutlicher werden. Die CellForm-Technologie basiert auf einem selbst entwickelten mehrstufigen Formgebungsprozess, der sich leicht skalieren lässt. Die Skalierbarkeit des Herstellungsverfahrens bestimmt die Produktionskosten und den Preis der einzelnen Bipolarplatten und beeinflusst damit maßgeblich die Attraktivität der klimafreundlichen Wasserstofftechnologie. Autor: Simon Brugger, CEO CellForm GmbH, Baienfurt, Deutschland GREEN EFFICIENT TECHNOLOGIES 2022 29

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