Alla scoperta delle attività di ricerca per la produzione di piastre bipolari metalliche

Nel contesto della transizione energetica e dello sviluppo delle celle a combustibile, le piastre bipolari metalliche rappresentano un elemento chiave ma ancora critico in termini di costi e producibilità. L’attività di ricerca del Fraunhofer IPT è focalizzata sull’industrializzazione dei processi di formatura e sulla progettazione di sistemi di produzione ad alte prestazioni, con l’obiettivo di rendere possibile una produzione in serie economica, precisa e scalabile per il futuro mercato dell’idrogeno.

Nel corso della transizione dai combu­stibili fossili alle fonti energetiche rin­novabili, l’idrogeno è considerato una componente chiave dei sistemi ener­getici futuri. In alternativa al motore a combustione convenzionale, le celle a combustibile consentono sia una mo­bilità a basse emissioni che un approvvigionamento energetico indipendente dalla rete. Sebbene la tecnologia sia sta­ta oggetto di intense ricerche per anni, molti componenti non sono ancora di­sponibili nelle quantità richieste e a co­sti economicamente sostenibili. Per un uso industriale diffuso delle celle a com­bustibile sono quindi necessarie tecno­logie di produzione ad alte prestazioni adatte alla produzione in serie. In questo contesto, l’Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione (IPT) di Aquisgrana sta lavorando allo sviluppo di processi di produzione economici per le piastre bipolari meta, considerate un elemento funzionale centrale delle celle a combustibile. L’attenzione si concentra sull’industria­lizzazione della produzione di celle a combustibile ed elettrolizzatori. Si stan­no studiando processi efficienti, sistemi di produzione integrati e la relativa in­gegneria meccanica e impiantistica con l’obiettivo di consentire una produzione in serie economica.

Struttura e funzione di una cella a combustibile

La tecnologia delle celle a combustibile sta assumendo un’importanza sempre maggiore nell’ambito della ristruttura­zione dell’approvvigionamento energe­tico ed è considerata una tecnologia chiave del XXI secolo. Le celle a combu­stibile vengono prese in considerazione nelle strategie nazionali e nei piani in­dustriali, in particolare nel contesto del­la decarbonizzazione dei trasporti e dei veicoli commerciali pesanti. Nel 2025, il mercato globale dei veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV) era stimato a 3,09 miliardi di dollari USA e si preve­de che raggiungerà un volume di 17,73 miliardi di dollari USA entro il 2034¹. Ciò corrisponde a una crescita prevista del 21,4 % tra il 2024 e il 2034. Ad esem­pio, la roadmap tecnologica della Cina prevede un aumento dagli attuali 10 000 veicoli a celle a combustibile a oltre 5 milioni di veicoli nel 2024².

Lo stack è il cuore della cella a combu­stibile PEM. È costituito da singole cel­le collegate elettricamente in serie, per cui le prestazioni complessive del si­stema dipendono dal numero di celle, dall’area attiva delle celle e dalla den­sità di potenza dello stack. Lo stack è costituito da un gran numero di singo­li componenti ripetuti. Una singola cel­la all’interno dello stack è costituita da due piastre bipolari, che rappresentano rispettivamente l’anodo e il catodo, se­parate da una membrana conduttrice di ioni. La piastra bipolare garantisce l’a­limentazione omogenea di idrogeno e ossigeno alla membrana. La piastra bi­polare è anche responsabile del con­tatto elettrico e della stabilità mecca­nica. Per garantire un’elevata densità di potenza gravimetrica, le piastre bi­polari sono realizzate in lamina metal­lica con uno spessore compreso tra 50 e 100 μm. A causa dell’ambiente acido all’interno della cella a combustibile, le piastre bipolari sono realizzate princi­palmente in acciaio inossidabile, tipica­mente AISI 316L. La figura 1 mostra una struttura schematica di una cella a com­bustibile PEM.

Le piastre bipolari non solo hanno un’in­fluenza determinante sulle prestazioni e sulla durata delle celle a combustibi­le, ma rappresentano anche fino all’80% del peso totale e circa il 22% dei costi di produzione, a seconda del design del sistema³. Per gli stack di celle a com­bustibile avanzati utilizzati in applicazio­ni automobilistiche, stazionarie e mobi­li, è essenziale una produzione in serie di alta qualità e precisione delle piastre bipolari metalliche. Una cella a combu­stibile per applicazioni automobilistiche ha fino a 400 piastre bipolari con una dimensione di 70.000 mm². Ciò pone le tecnologie di lavorazione della lamie­ra, come la formatura, lo stampaggio, la punzonatura e i processi roll-to-roll, al centro dello sviluppo industriale, cre­ando nuove opportunità e sfide per le aziende di lavorazione della lamiera.

Catena di processo per la produzione di piastre bipolari

La produzione di piastre bipolari in gran­di quantità rappresenta una sfida con­siderevole, in particolare per l’industria della lavorazione della lamiera.  La catena di processo comprende le se­guenti fasi di produzione: formatura me­diante un processo di stampaggio, se­parazione delle semipiastre mediante taglio a cesoia o taglio laser, unione del­le semipiastre per formare una piastra bipolare completa, applicazione della guarnizione, controllo qualità e prova di tenuta, nonché applicazione di un rive­stimento per ottimizzare ulteriormente la conduttività elettrica e la resistenza alla corrosione⁴.

Presso il Fraunhofer IPT, i processi di produzione della piastra bipolare vengo­no sviluppati, analizzati e ottimizzati in termini di ingegneria dei sistemi e tec­nologia di processo. A tal fine, vengono determinati i requisiti dei processi e del­le macchine speciali e vengono costruiti prototipi di questi sistemi.

Formatura efficiente nello stampo progressivo

Il Fraunhofer IPT sta studiando la for­matura di piastre bipolari in stampi pro­gressivi per ottenere velocità di cor­sa più elevate e migliorare il processo attraverso la funzionalizzazione degli utensili. La sfida consiste nell’aumenta­re il numero di corse al minuto mante­nendo un’elevata qualità di formatura. A tal fine, vengono determinate le variabi­li che influenzano il processo di forma­tura e identificati i possibili fattori di di­sturbo. La figura 2 mostra una piastra bipolare metallica, progettata dal Frau­nhofer IPT in collaborazione con partner industriali, e la sua sezione trasversale caratteristica dei canali di flusso.

I requisiti di tolleranza per i canali di flusso sono compresi nell’intervallo ±5 μm con elevata ripetibilità, poiché an­che piccole deviazioni possono influire sulle prestazioni dello stack⁵. Per una distribuzione uniforme del gas è neces­sario un rapporto elevato tra profondi­tà e larghezza dei canali, che consente di ottenere un grado di formatura ele­vato, ottenibile solo con forze di forma­tura elevate⁶. Inoltre, durante la for­matura profonda delle piastre bipolari, ampie aree della lamiera sono a contat­to con lo stampo e devono essere for­mate contro la forza di attrito⁷.

Il Fraunhofer IPT dispone di una pro­pria linea di presse servoassistite con una pressa servoassistita per la forma­tura industriale di piastre bipolari nel­lo stampo progressivo, come mostrato nella figura 3. Ciò consente di realizza­re progetti di ricerca mirati con clien­ti industriali. Per studiare la formatura delle piastre bipolari in relazione all’in­fluenza della pressa, il Fraunhofer IPT, effettuato un test sugli utensili su una serie di presse appositamente svilup­pate per le piastre bipolari. A tal fine, il Fraunhofer IPT ha sviluppato e costruito uno stampo progressivo multistadio e lo ha testato sulla pressa AIDA BEX 1600 presso AIDA a Pavone Mella (BS). Lo scopo del test sugli utensili era quello di studiare l’influenza della pressa di for­matura e dell’utensile sulla qualità della formatura. A tal fine, lo stampo progres­sivo stato dotato di sensori per misu­rare le forze di processo e l’inclinazione dello stampo durante il processo. Il mo­tivo è l’elevata rigidità della serie AIDA BEX, sviluppata per operazioni di forma­tura ad alta precisione grazie alla sua speciale cinematica con un solo punto di pressione al centro sopra il pistone della pressa.

Per il test dello strumento è stato effettuato uno studio dei para­metri variando la regolazione della slit­ta, il movimento della slitta e la veloci­tà di corsa. Le piastre bipolari prodotte sono state poi misurate presso il Frau­nhofer IPT e analizzate in termini di qua­lità. I risultati dimostrano che il sistema di pressatura ha un’influenza significati­va sulla qualità geometrica della piastra bipolare; a parità di condizioni al contor­no, è stato possibile formare canali più profondi di circa il 20% rispetto a una punzonatrice automatica convenziona­le. Inoltre, la precisione geometrica dei canali di flusso è stata migliorata grazie a un tempo di mantenimento di 0,1 se­condi al punto morto inferiore. La figura 4 mostra l’utensile progressivo utilizza­to presso AIDA.

Sviluppo di nuovi concetti di macchine

Oltre a collaborare con partner indu­striali, il Fraunhofer IPT sta sviluppando nuove macchine per la produzione ef­ficiente di piastre bipolari. Per rispon­dere alle sfide poste dai tonnellaggi più elevati e dalla deflessione della pressa nella formatura delle piastre bipolari, il Fraunhofer IPT sta attualmente svilup­pando l’innovativo concetto di pressa “MatriXpress”. L’obiettivo è una macchi­na di formatura compatta con una forza di pressatura di 8.000 kN e una frequen­za di 60 colpi al minuto, con uno spa­zio di installazione di 3×3 m e un’altezza di 1,8 m. Per generare una forza eleva­ta in uno spazio di installazione ridotto, è stata sviluppata una nuova cinemati­ca con cunei guidati su cuscinetti line­ari. Un altro vantaggio è l’azionamento modulare, che consente di scalare l’a­zionamento in modo flessibile. La figura 5 mostra un rendering CAD del prototi­po. Entro l’estate 2026 verrà costruito e testato un prototipo della “MatriXpress” presso il Fraunhofer IPT di Aquisgrana, e il Fraunhofer IPT prevede di commercia­lizzare rapidamente la tecnologia con i produttori di componenti e presse.

Il Fraunhofer IPT sta promuovendo l’in­dustrializzazione della tecnologia delle celle a combustibile sviluppando tecno­logie di produzione ad alte prestazio­ni per piastre bipolari metalliche adatte alla produzione in serie. Con una ricer­ca orientata all’industria sui processi di formatura, strumenti all’avanguardia e concetti innovativi di pressatura come il “MatriXpress”, l’istituto sta gettando le basi per una produzione in serie econo­mica e scalabile. Ciò posiziona il Frau­nhofer IPT come partner chiave per l’in­novazione nell’industria della formatura e della produzione nel futuro mercato dell’idrogeno.

di Johannes Weis, Research assistant di Fraunhofer IPT

Riferimenti bibliografici

• ^[1]Towards Automotive, “Fuel Cell Electric Vehicle Market Trends 2025,” 2025. [Onli­ne]. Available: https://www.towardsauto­motive.com
• ^[2]Wen, H. et al.: A Framework of Poli­cy-technology Roadmap of Disruptive Te­chnology: A Case of New Energy Vehicle Industry in China, Science & Technology Progress and Policy, 2024.
• ^[3]Porstmann, S. et al.: A comprehensive comparison of state-of-the-art manufactu­ring methods for fuel cell bipolar plates including anticipated future industry trends, Journal of Manufacturing Proces­ses, 2020.
• ^[4]Kampker A. et al.: Elektromobilität, Berlin/ Heidelberg, 2024.
• ^[5]Xu Z. et al.: Towards mass applica­tions: A review on the challenges and developments in metallic bipolar plates for PEMFC, Progress in Natural Science: Materials International, 2020.
• ^[6]Narasimharaju S.J. et al.: Advances in materials and surface engineering for fuel cell bipolar plates: Materials, coatings, Energy Reports, 2025.
• ^[7]Fraunhofer: Efficient manufacturing techniques for bipolar plates: Advances in fuel cell production, Press release, 2025.