Qualifizierung nickelfreier, ferritischer Stähle für den Einsatz als Bipolarplatten

Bipolarplatten für Elektrolyseure sind im Vergleich zu Bipolarplatten klassischer Brennstoffzellen größer und deutlich dicker ausgeführt. Dadurch steigt der Materialeinsatz erheblich, sodass wirtschaftliche und ressourcenschonende Werkstoffkonzepte an Bedeutung gewinnen. Ferritische Edelstähle bieten großes Potenzial für kostengünstige Bipolarplatten in der Wasserelektrolyse, da sie im Vergleich zu den häufig eingesetzten austenitischen Edelstählen kein Nickel als kostenintensiven Legierungsbestandteil enthalten. Stattdessen verfügen sie über einen hohen Anteil an preisgünstigem Chrom.

Der Einsatz ferritischer Edelstähle in Elektrolyseuren wird derzeit durch zwei zentrale Herausforderungen begrenzt.

Korrosion unter Elektrolysebedingungen

In Elektrolyseuren wirken gleichzeitig wässrige Medien, erhöhte elektrische Spannungen sowie elektrochemische Belastungen auf die Komponenten. Ohne geeignete Oberflächenanpassungen kann dies zu einer beschleunigten Alterung und Degradation ferritischer Werkstoffe führen. Studien zeigen jedoch, dass der hohe Chromanteil ferritischer Stähle die Bildung passivierender Oberflächenschichten ermöglicht. Solche chrombasierten Passivierungsschichten können eine hohe Korrosionsbeständigkeit mit gleichzeitig guter elektrischer Leitfähigkeit kombinieren. Dadurch entsteht das Potenzial für langlebige und leistungsfähige Bipolarplatten auf Basis ferritischer Edelstähle.

Begrenzte Umformbarkeit

Im Vergleich zu austenitischen Edelstählen besitzen ferritische Werkstoffe eine geringere Umformbarkeit. Dies erschwert die Herstellung komplexer Flussfelder mit tiefen Kanalstrukturen. Gerade diese Kanalstrukturen sind jedoch entscheidend für die effiziente Medienführung, den Stofftransport innerhalb der Zelle, geringe Druckverluste sowie hohe Wirkungsgrade des Elektrolyseurs.

Die Erweiterung der Umformgrenzen ferritischer Edelstähle stellt daher einen wesentlichen Entwicklungsschritt für zukünftige Bipolarplatten dar.

Das Vorhaben untersucht die gezielte Übertragung chrombasierter Passivierungs- und Beschichtungskonzepte auf ferritische Bipolarplatten für die Wasserelektrolyse.

Hierfür werden unterschiedliche Verfahren zur Passivierung und/oder Beschichtung analysiert und hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit, elektrischen Leitfähigkeit und industriellen Anwendbarkeit bewertet.

Parallel dazu werden numerische Simulationen und experimentelle Umformuntersuchungen eingesetzt, um neue Prozessstrategien für ferritische Edelstähle zu entwickeln. Ziel ist die Herstellung leistungsfähiger Flussfelder mit ausreichend tiefen Kanalstrukturen und hoher geometrischer Präzision.