Kostengünstigere Brennstoffzellen für Automobil und Flugzeug in Großserie

Werkstoffe 07. 10. 2019
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Ohne Abgase eine noch höhere Reichweite erzielen: Die Automobilindustrie und die Luftfahrtbranche setzen verstärkt auf alternative Antriebsformen und beziehen dabei auch wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen in ihre Überlegungen ein. Damit die bislang hohen Herstellungskosten der Brennstoffzellen sinken und neue wasserstoff-elektrische ­Antriebe den Weg in den Markt finden, arbeitet das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen gemeinsam mit fünf Partnern aus Industrie und Wissenschaft im Forschungsprojekt FlyGO an neuen Konzepten und Systemen für die Großserienfertigung.

Die Herstellungskosten der Brennstoffzellen sollen durch eine großserientaugliche Fertigungskette der erforderlichen Komponenten deutlich gesenkt werden. Sogenannte Bipolarplatten machen einen großen Gewichtsanteil der Brennstoffzelle aus und verursachen bis zu 45 % der Produktionskosten einer Zelle. In hohen Stückzahlen bieten sie ein erhebliches Einsparpotenzial. Zur Produktion dieser dünnen Blechplatten mit einer Stärke von einem Zehntel Millimeter wird das Blech durch Umform- und Schneidprozesse ­bearbeitet. Anschließend werden jeweils zwei ­Platten zusammengeschweißt, beschichtet und mit einer Dichtung versehen. Für die Oberflächenstruktur der Bipolarplatte sind hohe Umformgrade bei Kanaltiefen von bis zu 0,8 Millimetern mit möglichst kleinen Radien erforderlich. Je nach Plattengeometrie können bei der Herstellung mit konventionellen Umformverfahren Risse im Blech auftreten.

Warmumformung von Bipolarplatten ebnet den Weg zur Großserienfertigung und soll Herstellungskosten senken

Durch eine lokale Erwärmung wollen die Ingenieurinnen und Ingenieure am Fraunhofer IPT die Umformbarkeit des Blechmaterials Titan und Edelstahl (1.4404, 1.4301) verbessern und so die Risse und Ausdünnungen verhindern. Auch die Anzahl der benötigten Bearbeitungsschritte soll reduziert und der Werkzeugverschleiß verringert werden. Titan beispielsweise ist ein Leichtmetall, welches das Gewicht der Brennstoffzelle weiter verringern kann, allerdings ist es sprödhart und lässt sich bei Raumtemperatur nur schwer umformen. Die Warmumformung verspricht eine neue Einsatzmöglichkeit von Titan als Blechmaterial für Bipolarplatten.

Damit die dünnen Blechplatten während der Bearbeitung nicht reißen, untersuchen die Aachener Ingenieure, wie der Umformprozess und das Erwärmungssystem auszulegen ist. Erste Zwischenergebnisse zur Prozess­auslegung lieferte die Simulation der untersuchten Umformverfahren Rubberforming, Stamping und Hydroforming.

Das neue Konzept zur Großserienherstellung, welches das Fraunhofer IPT gemeinsam mit seinen Partnern erarbeitet, umfasst die gesamte Prozesskette von der Warmumformung über das Schweißen und Beschichten bis zur Montage.

Neue Konzepte für den ­Serieneinsatz von Brennstoffzellen in Fahrzeugen und Fluggeräten

Zusätzlich zur Kostensenkung von Brennstoffzellen sieht das Forschungsprojekt FlyGO zwei weitere Entwicklungen vor: Zum einen entwickeln die Projektpartner ein Konzept zur Integration eines Wasserstoff-­Range-Extenders in ein batteriebetriebenes Elektroserienfahrzeug. Als Beispiel dient ihnen dazu ein Fahrzeug des Aachener Herstellers e.GO Mobile AG, das durch die Integration des Brennstoffzellensystems eine höhere Reichweite erhält. Zum anderen arbeiten die Partner an einer gasgekühlten Wasserstoff-Brennstoffzelle in Kombination mit einem Methanolelektrolyseur, die gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellensystemen mehr Leistung pro Masse aufweisen kann. Dies soll den Einsatz der Brennstoff­zelle in Kurzstreckenflugzeugen und Drohnen ermöglichen.

Partner im Projekt FlyGO sind die e.GO Mobile AG, Aachen, das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen, die KCS Europe GmbH, Monschau, die PSL Technik GmbH, Oberhausen,die Zentrum für Brennstoffzellen Technik ZBT GmbH, Duisburg, sowie die Air s.Pace GmbH (assoziiert), Aachen. Das Projekt FlyGO – Brennstoffzellenunterstützte Mobilität für umweltfreundliche Fahrzeuge und Fluggeräte wird durch Mittel des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) 2014-2020 gefördert (Förderkennzeichen: EFRE-0801224).

Fraunhofer IPT stellt auf ­Blechexpo Fertigung von Bipolarplatten vor

Wie Brennstoffzellen wirtschaftlich und in Serie gefertigt werden können, zeigt das Fraunhofer IPT vom 5. bis 8. November 2019 auf der Blechexpo in Stuttgart. In Halle 3 am Stand 3214 erhalten Besucher einen Ausblick auf die zukünftige Großserienproduktion von Bipolarplatten. Die Aachener Forscher zeigen dort neben der Systemtechnik zur Bearbeitung hochfester und spröder Werkstoffe mit Hilfe von Erwärmungstechnologien wie dem Laser, der Induktion und Konduktion auch Beispiele von Bauteilen, die durch eine solche Warmumformung gefertigt wurden.

Text zum Titelbild: Geformtes Blechwerkstück: In ersten Tests formten die Aachener Ingenieure die erforderliche Oberflächenstruktur einer Bipolarplatte (© Fraunhofer IPT)

 

Testversuche zur Kanalgeometrie: Gebogenes Testbauteil aus Titan mit einer Blechstärke von 0,1 Millimeter (© Fraunhofer IPT)

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