Bipolarplatten für Brennstoffzellen, 3D-Druck in der Wasserstofftechnik

Sascha Surbanoski
vor 3 Tagen
4 Min. Lesezeit

Die Wasserstoff- und Brennstoffzellenindustrie steht vor einem klassischen Skalierungsproblem: Die Technologie ist ausgereift genug für den Markteintritt, aber die Fertigungskosten für Schlüsselkomponenten bremsen die Massenanwendung. Bipolarplatten, die im Zellstapel (Stack) für Stromleitung, Gasverteilung und Wärmeabfuhr zuständig sind, machen bis zu 80 Prozent der Stackkosten aus. Additive Fertigungsverfahren rücken deshalb zunehmend in den Fokus von Entwicklern und Zulieferern.

Das Bauteil und der Anwendungsfall

Eine Bipolarplatte ist eine dünne, flächige Komponente, die in einem Brennstoffzellen-Stack zwischen je zwei Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) sitzt. Sie übernimmt gleichzeitig mehrere Aufgaben: Sie leitet den erzeugten Strom ab, verteilt Wasserstoff und Sauerstoff über fein strukturierte Strömungskanäle und transportiert Wärme sowie Produktwasser aus dem Stack heraus. Die Geometrie dieser Kanäle, oft mäanderförmig oder serpentinenförmig mit Kanalbreiten im Bereich von 0,5 bis 2 Millimetern, ist entscheidend für den Wirkungsgrad der Zelle.

Konventionell werden Bipolarplatten aus Graphit gefräst oder aus metallischen Blechen (Edelstahl, Titan) gestanzt und geprägt. Beide Verfahren stoßen bei komplexen Kanalgeometrien und kleinen Stückzahlen schnell an wirtschaftliche Grenzen. Für Prototypen und Kleinserienstacks bietet die additive Fertigung hier einen direkten Hebel. Ähnliche Überlegungen zu Composite-Strukturen in anspruchsvollen Umgebungen zeigt auch der Artikel über den 3D-gedruckten Bootsrumpf aus proprietärem Composite, wo Verbundwerkstoffe unter mechanischer Last eingesetzt werden.

Warum setzt die Branche auf 3D-Druck?

Der Haupttreiber ist die Geometriefreiheit. Strömungskanäle lassen sich additiv in Formen realisieren, die mit Fräsen oder Stanzen nicht oder nur mit unverhältnismäßig hohem Werkzeugaufwand herstellbar wären. Biomimetische Kanalstrukturen, die dem Blattadersystem von Pflanzen nachempfunden sind, versprechen eine gleichmäßigere Gasverteilung und damit höhere Leistungsdichte. Solche Geometrien entstehen im 3D-Druck ohne Mehrkosten.

Ein zweiter Treiber ist die Entwicklungsgeschwindigkeit. In der Brennstoffzellenentwicklung werden Stacks iterativ optimiert: Kanalgeometrie, Stegbreite, Einlassposition. Jede Iteration bedeutet bei konventioneller Fertigung neue Werkzeuge oder neue Fräsprogramme. Mit additiver Fertigung lässt sich eine neue Plattengeometrie innerhalb von Stunden drucken und testen. Wie 3D Printing Industry in mehreren Berichten dokumentiert, nutzen Forschungsgruppen und Start-ups diesen Vorteil gezielt, um Entwicklungszyklen von Monaten auf Wochen zu verkürzen.

Hinzu kommt das Gewicht. Graphitplatten sind spröde und schwer; metallische Platten benötigen Korrosionsschutz. Carbon-Composite-Platten aus dem 3D-Druck können leichter sein als Graphit und gleichzeitig die nötige elektrische Leitfähigkeit mitbringen, wenn der Füllstoffanteil stimmt.

Verfahren und Material im Detail

Drei Ansätze dominieren die aktuelle Entwicklung. Der erste ist SLS (Selective Laser Sintering), bei dem ein Laser ein Pulverbett aus thermoplastischem Polymer selektiv aufschmilzt. Für Bipolarplatten werden dem Polymer leitfähige Füllstoffe beigemischt, typischerweise Graphitpulver oder Ruß (Carbon Black), um die elektrische Leitfähigkeit zu erreichen, die eine Brennstoffzelle benötigt. Der Vorteil von SLS: kein Stützmaterial, gute mechanische Eigenschaften, reproduzierbare Dichte.

Der zweite Ansatz ist das direkte Drucken mit Graphit-basierten Pasten oder Compounds, oft als Graphit-AM bezeichnet. Dabei wird ein hochgefülltes Material, das bis zu 80 Gewichtsprozent Graphit enthalten kann, über Extrusion oder Binder Jetting verarbeitet. Die Herausforderung liegt in der Dichtigkeit: Brennstoffzellenplatten dürfen keine Gase durchlassen, und poröse Strukturen müssen nachbehandelt werden, etwa durch Imprägnierung mit Harz oder durch Sintern.

Der dritte Weg sind Carbon-Fiber-Composites (kurzfaserverstärkte Kunststoffe mit Kohlefasern), die im FDM-Verfahren oder über Binder Jetting verarbeitet werden. Diese Materialien bieten hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht, sind aber elektrisch weniger leitfähig als Graphit-Compounds und eignen sich eher für strukturelle Komponenten im Stack als für die aktive Platte selbst. Voxelmatters hat in seiner Marktübersicht zu Brennstoffzellen-AM dokumentiert, dass der Materialbereich aktuell der größte Engpass für die Serientauglichkeit ist.

Was wurde konkret verbessert?

In Forschungsumgebungen wurden Entwicklungszyklen für neue Plattengeometrien von typischerweise acht bis zwölf Wochen (Werkzeugbau, Fräsen, Prüfung) auf unter zwei Wochen reduziert. Das ist kein Einzelfall, sondern ein struktureller Vorteil der additiven Fertigung bei kleinen Stückzahlen und häufigen Iterationen.

Bei der Leistungsdichte zeigen erste Vergleichstests, dass biomimetisch optimierte, additiv gefertigte Kanalstrukturen den Druckabfall im Stack um 10 bis 20 Prozent senken können gegenüber konventionellen Serpentinen-Designs. Das verbessert den Systemwirkungsgrad, weil weniger Energie für die Gaskompression aufgewendet werden muss.

Ehrlich ausgewiesen werden muss aber auch: Die elektrische Leitfähigkeit additiv gefertigter Graphit-Composite-Platten erreicht bislang nicht die Werte von gepresstem Bulk-Graphit. Werte von 100 bis 200 S/cm sind im 3D-Druck erreichbar, konventionelle Graphitplatten liegen bei 200 bis 300 S/cm. Für Prototypen und Kleinserienstacks ist das tolerierbar, für den Serieneinsatz in Fahrzeuganwendungen bleibt es eine offene Entwicklungsaufgabe. Auch die Gasdichtigkeit erfordert in den meisten Fällen noch einen Nachbearbeitungsschritt.

Übertragbarkeit für den Mittelstand

Für mittelständische Unternehmen, die Brennstoffzellensysteme entwickeln oder zuliefern, ist der Einstieg in additiv gefertigte Bipolarplatten vor allem im Prototypen- und Kleinseriensegment sinnvoll. Wer heute Iterationszyklen verkürzen will, braucht keinen eigenen SLS-Drucker: Ein erfahrener Dienstleister kann Plattengeometrien aus leitfähigen Compounds innerhalb weniger Tage liefern.

Die Mindest-Stückzahl für wirtschaftliche additive Fertigung liegt bei Bipolarplatten praktisch bei eins. Das ist der entscheidende Unterschied zu Stanzen oder Fräsen, wo Werkzeugkosten erst ab mehreren hundert Stück amortisiert werden. Für Unternehmen, die Stacks in Stückzahlen von 10 bis 500 pro Jahr fertigen, kann additiv gefertigte Kleinserie dauerhaft wirtschaftlicher sein als konventionelle Fertigung.

Typische Stolpersteine sind die Materialqualifizierung (Leitfähigkeit, Gasdichtigkeit, chemische Beständigkeit gegenüber Betriebsmedien) und die fehlende Normierung: Es gibt bislang keine einheitliche Prüfnorm für additiv gefertigte Brennstoffzellenkomponenten. Wer einen Dienstleister beauftragt, sollte Materialzertifikate und Leitfähigkeitsmessungen als Lieferbestandteil einfordern. Bei 3ddrucklife.de lassen sich entsprechende Prototypen aus technischen Hochleistungswerkstoffen gezielt für solche Entwicklungsprojekte anfertigen.

Persönliches Fazit

Bipolarplatten sind ein Paradebeispiel dafür, wo additive Fertigung echten technischen Mehrwert schafft und nicht nur Kosten spart. Die Geometriefreiheit ist hier kein Marketingargument, sondern ein physikalischer Hebel: Bessere Strömungsführung bedeutet direkt bessere Zellleistung. Das ist ein Zusammenhang, den Entwickler sofort verstehen.

Gleichzeitig wäre es falsch, die Serientauglichkeit schönzureden. Die Lücke bei der elektrischen Leitfähigkeit und die Gasdichtigkeitsproblematik sind real und werden nicht durch einen neuen Drucker gelöst, sondern durch Materialentwicklung, die noch läuft. Wer heute additiv gefertigte Bipolarplatten einsetzt, tut das zu Recht für Prototypen und Kleinserie, sollte aber die Erwartungen an Serienparameter entsprechend kalibrieren.

Was mich an diesem Anwendungsfeld besonders interessiert: Es ist eines der wenigen, wo die Geometrieoptimierung direkt mit Simulationsdaten aus der Strömungsmechanik verknüpft wird. Topologieoptimierte Kanalstrukturen, die dann direkt gedruckt werden, das ist der Workflow, der den größten Sprung bringen wird. Und der ist mit additiver Fertigung überhaupt erst möglich.

Für Mittelständler im Brennstoffzellenumfeld lautet mein Rat: Jetzt mit Prototypen einsteigen, Materialien qualifizieren, Prozesse verstehen. Wer wartet, bis die Seriennormen stehen, verliert Entwicklungsvorsprung.