Im Forschungsprojekt HyCoFC – Langzeitstabile Brennstoffzellentechnologie durch innovative Hybrid-Compound Bipolarplatten arbeiten Industrie- und Forschungspartner zusammen, um Bipolarplatten für langlebige, kostengünstige und leistungsstarke Brennstoffzellen speziell für Schwerlastanwendungen zu entwickeln. Um den hohen Anforderungen und anspruchsvollen Bedingungen im Schwertransport gerecht zu werden, setzt das Projekt laut Mitteilung des Fraunhofer ILT auf innovative Materialkombinationen und neueste Lasertechnologien. So adressiert HyCoFC nicht nur die Nachhaltigkeit in der Logistik, sondern stärkt auch den Wirtschaftsstandort Deutschland und schafft zukunftsweisende Lösungen für die Energiewende.
Der Schwertransport, insbesondere der Verkehr mit Lastkraftwagen, trägt wesentlich zu den globalen CO2-Emissionen bei. In Europa entfallen etwa 30 Prozent der Emissionen im Mobilitätssektor auf den Straßengütertransport. Bisher dominieren hier fossile Brennstoffe, da batterieelektrische Lösungen aufgrund der benötigten Akkumulatoren ein enormes Zusatzgewicht mitführen, wodurch die potenzielle Nutzlast beeinträchtigt wird. Zudem stellen die damit verbundenen Anforderungen an Ladeströme und die Ladezeiten bedeutenden Einschränkungen für den Einsatz in Schwertransportanwendungen dar. Brennstoffzellen bieten eine vielversprechende Alternative, da sie eine hohe Energiedichte mit einer schnellen Betankung kombinieren.
In der Europäischen Union entfallen etwa 30 Prozent der Kohlenstoffdioxidemissionen im Mobilitätssektor auf Schwerlasttransporte (© Statistisches Bundesamt (Destatis), 2024)
Brennstoffzellen für den Schwertransport müssen besonders robust und langlebig sein, da sie unter anspruchsvollen Bedingungen eingesetzt werden. Temperaturschwankungen, mechanische Belastungen und korrosive Umgebungen stellen hohe Anforderungen an die Materialien und die Verarbeitung der einzelnen Komponenten. Hier setzt das HyCoFC-Projekt an: Die Kombination einer metallischen Trägerfolie mit einer leitfähigen Compound-Folie vereint die Vorteile beider Materialien. Die großformatigen Hybrid-Compound-Bipolarplatten bieten eine gute elektrische Leitfähigkeit, mechanische Stabilität und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit – Eigenschaften, die für den Schwertransport entscheidend sind. Diese Platten sollen Lebensdauer von Brennstoffzellen verbessern und gleichzeitig die Produktionskosten senken.
Darüber hinaus erlaubt die modulare Struktur der Brennstoffzellenstacks eine Skalierung für unterschiedliche Anwendungsbereiche, von Nutzfahrzeugen bis hin zu Schiffen und sogar stationären Anwendungen. Diese Vielseitigkeit macht die Technologie zu einer idealen Komponente für die Energiewende im Mobilitätssektor, erläutert Friederike Brackmann von der Abteilung Fügen und Trennen am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT.
Wissenschaft und Industrie: Gemeinsam forschen
Das Projekt HyCoFC wird im Rahmen des Innovationswettbewerbs Energie.IN.NRW gefördert, der Teil der europäischen Regionalförderung ist. Die Gesamtlaufzeit des Projekts erstreckt sich vom 15. Juni 2024 bis zum 14. Juni 2027. Mit einem Gesamtfördervolumen von rund drei Millionen Euro wird das Projekt von einer starken finanziellen Basis getragen, die es den Partnern aus Wissenschaft und Industrie ermöglicht, umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchzuführen.
Neben dem Fraunhofer ILT ist auf wissenschaftlicher Seite das Fraunhofer UMSICHT beteiligt. Die Industrieunternehmen sind Projektkoordinator thyssenkrupp Steel sowie FEV, Schepers und Cleanlaser.
Das Engineering-Unternehmen FEV unterstützt dabei die Integration und Erprobung der Brennstoffzellenstacks in verschiedenen Anwendungen. Schepers, spezialisiert auf Prägetechnologie, entwickelt und liefert hochpräzise Werkzeuge für die Herstellung der benötigten Bipolarplatten. Cleanlaser, das Spin-off des Fraunhofer ILT, bringt seine Expertise in der laserbasierten Oberflächenreinigung und -vorbereitung ein, um optimale Bedingungen für die Verbindung der Materialien zu schaffen.
Die metallische Trägerfolie stellt thyssenkrupp Steel mit einer Chromschicht her, um die Korrosionsbeständigkeit und die Verbindungseigenschaften zur Compound-Folie zu verbessern. Fraunhofer UMSICHT steuert gezielt die elektrische und thermische Leitfähigkeit der Compound-Folie durch die Auswahl spezifischer Materialien und die Feinabstimmung ihrer Zusammensetzung. Das Fraunhofer ILT widmet sich im Rahmen des Projekts der Weiterentwicklung von laserbasierten Technologien für die Herstellung und Funktionalisierung der Hybrid-Compound-Bipolarplatten. Friederike Brackmann kümmert sich dabei vor allem um die fügetechnischen Herausforderungen und ihr Kollege Tobias Erdmann aus der Abteilung Oberflächentechnik und Formabtrag des Fraunhofer ILT um die selektive Entschichtung der Compound-Elemente mittels Laserstrahlung und der finalen elektrochemischen Charakterisierung des Hybridstacks. Mit unterschiedlichen Lasertechniken bringen sie Mikrostrukturen in die Bauteile ein, um die Verbindung zwischen der metallischen und der polymerbasierten Komponente zu verbessern. Darüber hinaus entwickeln sie Prozesse zum Abtragen von Materialschichten, was die elektrische Leitfähigkeit der Bipolarplatten maximiert.
Im hauseigenen Hydrogen Lab des Fraunhofer ILT finden die Forschenden eine umfassend ausgestattete Infrastruktur, die speziell auf die praxisnahe Entwicklung und Optimierung von Wasserstofftechnologien ausgerichtet ist. Auf einer Fläche von 300 Quadratmetern sind modernste lasertechnische Versuchsanlagen und Prüfstände eingerichtet, die es ermöglichen, einzelne Fertigungsschritte als auch komplette Prozessketten sowie konkrete industrielle Anwendungen unter realistischen Bedingungen zu testen und weiterzuentwickeln.
Brackmann testet hier beispielsweise, wie sich die Bipolarplatten mit Laserstrahlschweißen wasserstoffdicht und reproduzierbar verbinden lassen. Erdmann untersucht, wie der Übergangswiderstand zwischen Bipolarplatte und Gastransportschicht optimiert werden kann. Wir legen das leitfähige Grafitfüllmaterial im Kontaktbereich zur Gastransportschicht frei, erklärt der Forscher. Anders als mechanische Schleifverfahren könne ultrakurz gepulste Laserstrahlung den Kunststoff selektiv entfernen, ohne das Füllmaterial zu beschädigen.
Zukunftsperspektiven für nachhaltigen Transport
Durch die Kombination innovativer Materialien und Produktionsmethoden werden nicht nur die Anforderungen des Schwertransports erfüllt, sondern auch neue Maßstäbe in der Brennstoffzellentechnologie gesetzt. Die entwickelten Hybrid-Compound-Bipolarplatten bieten das Potenzial, die Lebensdauer von Brennstoffzellen erheblich zu steigern und deren Einsatzmöglichkeiten zu erweitern. Von Schwerlastfahrzeugen über maritime Anwendungen bis hin zu stationären Systemen eröffnet das Projekt vielfältige Perspektiven für eine klimafreundliche Energieversorgung.
Das Fraunhofer ILT nimmt nach Aussage von Friederike Brackmann eine zentrale Rolle in der Entwicklung von Hybrid-Compound-
Brennstoffzellen ein, indem es wegweisende Laserfertigungstechnologien bereitstellt, die sowohl die Effizienz als auch die Langlebigkeit dieser innovativen Energiesysteme signifikant verbessern.
Die enge Zusammenarbeit zwischen den Projektpartnern und die Unterstützung durch Förderprogramme schaffen die Grundlage für eine erfolgreiche Implementierung der Ergebnisse in die Praxis. Ein besonderer Fokus bei HyCoFC liegt laut Tobias Erdmann auf der Entwicklung von Verfahren, die eine wirtschaftlich skalierbare und kosteneffiziente Produktion in großen Mengen ermöglichen. Hierbei setzten wir auf das Rolle-zu-Rolle-Verfahren, das eine kontinuierliche und qualitativ hochwertige Verarbeitung der Materialien gewährleistet. Das wollen wir als nächstes umsetzen und testen.
Kontakt
Friederike Brackmann M.Sc., Gruppe Fügen von Kunststoffen und transparenten Materialien,
E-Mail: friederike.brackmann@ilt.fraunhofer.de
Tobias Erdmann M.Sc., Gruppe Oberflächenstrukturierurng,
E-Mail: tobias.erdmann@ilt.fraunhofer.de
- www.ilt.fraunhofer.de
Text zum Titelbild: Compound-Folie für Bipolarplatten für die im Forschungsprojekt HyCoFC innovative Materialkombinationen und modernste Lasertechnologien zum Einsatz bringen (© Fraunhofer UMSICHT)
