Bipolarplatten für Stacks der nächsten Brennstoffzellengeneration – Forschung zur industriellen Nutzung von Wasserstoff

CFC – diese Abkürzung steht bald nicht mehr nur für einen traditionsreichen Fußballclub aus Chemnitz, sondern auch für eine neue Generation von Brennstoffzellen. Chemnitz Fuel Cells verursachen, so das Ziel der Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, deutlich weniger Produktionskosten als bei bisherigen Herstellungsverfahren und werden zukünftig in Großserie gefertigt. Das ist eine wichtige Voraussetzung für die Energiewende. Ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur CFC sind neue Fertigungstechniken für Bipolarplatten, die am Fraunhofer IWU erforscht werden. Bipolarplatten bilden in Stacks das Herz einer jeden Brennstoffzelle. Die Forschung an ihnen ist Teil eines umfassenden Ansatzes: Darüber hinaus arbeitet das Fraunhofer IWU an effektiveren Komponenten für Brennstoffzellen-Antriebe und am Einsatz grünen Wasserstoffs für die Dekarbonisierung der Industrie.

Nach wie vor werden Brennstoffzellen und viele ihrer Einzelteile – wie etwa Bipolarplatten und Stacks – nicht industriell in Großserien gefertigt. Sie entstehen unter Manufaktur-Bedingungen. Das macht Brennstoffzellen unnötig teuer und verhindert ihren breiten Einsatz zum Beispiel in Fahrzeugen oder in Gebäuden. Für die Energiewende werden also preisgünstige Herstellungs- verfahren gesucht, die zugleich hohe Stückzahlen in kurzer Zeit ermöglichen.

Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IWU haben diese Herausforderung angenommen und präsentieren nun erste Erfolge ihrer Arbeit: Bipolarplatten werden nicht mehr nur geprägt oder tiefgezogen, sondern entstehen auch mittels Hydroforming oder Walzverfahren.

Forschungsziel: Verdopplung der Produktionsrate

Beim Hydroforming, auch Hochdruck-Blechumformung (HBU) genannt, werden dünne Metallfolien mit einer Stärke von 0,05 mm bis 0,1 mm mit Wasser in die Form einer Bipolarplatte gepresst. Dabei wirkt ein Druck von 200 Megapascal (MPa). Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren lassen sich Bipolarplatten auf diese Weise präziser ausformen und federn weniger zurück. Es entstehen also mehr qualitativ hochwertige Platten. Zudem wird nur eine Anpressform benötigt. Nach Aussage von Sebastian Melzer, Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung für Blechbearbeitung am Fraunhofer IWU, konnte die Flussfeldgeometrie der Bipolarplatte so weiterentwickelt werden, dass diese neben den gängigen auch mit alternativen Verfahren, wie zum Beispiel dem kontinuierlichen Walzprägen, herstellbar ist. Das ist der nächste Technologieschritt in Richtung Massenfertigung. Dabei ändert sich am Wirkungsgrad der Brennstoffzellen nichts: er bleibt stabil auf hohem Niveau, so Sebastian Melzer. Wir wollen eine Produktionsrate von mindestens 120 Bipolarplatten pro Minute erreichen. Das ist ungefähr das Doppelte von dem, was Industrieunternehmen momentan mit klassischem Tiefziehen oder Prägen schaffen.

Das Fraunhofer IWU optimiert aber nicht nur ein Produktionsverfahren für Bipolarplatten. Dipl.-Ing. (BA) Stefan Polster, Leiter der Forschungsgruppe für Blechumformung, betont, dass das Ziel höchste Produktionsraten sind, aber nicht jedes Verfahren ist für jede Art von Bipolarplatte geeignet. Das hängt vom Anwendungsfeld ab. Neben der Produktionsrate ist dann auch wichtig, in welcher Art der Brennstoffzelle die Platten später eingesetzt werden. Es macht beispielsweise einen Unterschied, ob es um eine mobile oder stationäre Anwendung geht. Letztlich kommt es darauf an, das jeweils optimale Herstellungsverfahren zu finden, ob es nun die inkrementelle Umformung beziehungweise das Hydroforming für Miniserien sind, das herkömmliche Tiefziehen für mittlere Mengen oder eben das Walzprägen für größte Stückzahlen.

Vom Brennstoffzellen-Technologiehub zur CFC

Die Arbeit am Herz der Brennstoffzellen in den Chemnitzer Forschungsanlagen von Fraunhofer ist Teil einer Forschungsinfrastruktur für ein ganzes Produktionssystem für Brennstoffzellen in verschiedenen Anwendungsbereichen, das Dr.-Ing. Ulrike Beyer, Leiterin des Taskforce Wasserstoff@IWU, aufbaut; nach ihrer Ansicht braucht Sachsen diesen Leuchtturm, damit die sächsische Industrie von der Energiewende profitieren kann. Das ist auch der Tenor der Energietechnikbranche im Freistaat. Deswegen entwickeln die Forscher einen sächsischen Brennstoffzellen-Technologiehub. Er ist darauf ausgerichtet, Industrie und Forschung zu einem starken sächsischen Ökosystem für die Brennstoffzellenproduktion zu verbinden. So entstehen passgenaue Lösungen für die Industrie, die eine gezielte Integration in bestehende Produktionssysteme ermöglichen. Außerdem ist das eine hervorragende Möglichkeit, für die vom strukturellen Wandel besonders betroffene sächsische Wirtschaft, neue Produkte zu entwickeln und sich damit Wettbewerbsvorteile zu verschaffen, so die Aussage von Dr. Beyer.

Mit der Forschung zur Bipolarplatten-Produktion geht das Fraunhofer IWU dabei voran auf dem Weg zu Stacks der nächsten Generation. Zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS, das seinen Sitz ebenfalls in Chemnitz hat, arbeiten die Forscherinnen und Forscher an der komplett großserienfähigen Brennstoffzelle: der Chemnitz Fuel Cell, kurz: CFC. Wie bei einem erfolgreichen Fußballteam müssen alle Einzelteile perfekt ineinandergreifen, aber die vielen guten Spieler müssen auch finanzierbar sein, erklärt Dr.-Ing. Beyer die Analogie mit einem Augenzwinkern.

Mobile Nutzung und dekarbonisierte Industrie

Einen besonderen Schub bekommt die Wasserstoff- und Brennstoffzellenforschung am Fraunhofer IWU durch eine Förderung in Höhe von zwei Millionen Euro durch das Sächsische Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus (SMWK) und die Europäische Union. Diese Mittel fließen in einen Prüfstand für Brennstoffzellen, mit dem beispielsweise ermittelt werden kann, inwiefern ein bestimmtes Bipolarplatten-Design den Wirkungsgrad von Brennstoffzellen beeinflusst. Der Herstellungsprozess einer Brennstoffzelle und ihrer Komponenten muss nach Aussage von Sören Scheffler, Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Taskforce Wasserstoff@IWU, so gestaltet sein, dass neben dem Stückzahl-Output auch der Wirkungsgrad verbessert wird. Zugleich können bei der Fertigung Sensoren eingebaut werden, die eine bessere Steuerung der Brennstoffzellen im Betrieb möglich machen.

In der Forschung zu alternativen Antrieben werden die Mittel eingesetzt, um herauszufinden, wie sich Temperaturschwankungen und Belastungsspitzen in Brennstoffzellen am besten bewältigen lassen. Außerdem geht es um die Frage, welche Antriebskonzepte sich am besten mit Brennstoffzellen kombinieren lassen.

Ein weiteres zentrales Ziel der Förderung ist es, den CO₂-Ausstoß von industrieller Produktion deutlich zu verringern – letztlich der CO₂-freie Fabrikbetrieb. Will man grünen Wasserstoff als sauberen Energielieferanten und -speicher etablieren, müssen die Konzepte zur Energiewandlung, -verteilung und -nutzung in Fabriken neu gedacht werden. Dipl.-Ing. Mark Richter, Abteilungsleiter Zukunftsfabrik am Fraunhofer IWU, weist darauf hin, das seit über zehn Jahren steigern wir mit der wissenschaftlichen Methoden die Effizienz in der industriellen Produktion gesteigert wird. Seit mehr als fünf Jahren werden Lösungen für die energetische Flexibilisierung von Fabriken entwickelt. Nun wird mit der Integration wasserstoffbasierter Energieträger und den dafür notwendigen Komponenten daran gearbeitet, die Energieversorgung von Fabriken grundlegend nachhaltiger zu gestalten. Neben der Nutzung von dezentral erzeugter erneuerbarer Energie ist das einfach der nächste logische Schritt, wenn wir die Industrie in der Breite dekarbonisieren wollen, so Richter.

Von der Forschungsförderung profitiert auch die TU Chemnitz. Das Fraunhofer IWU und die TU Chemnitz sind außerdem Mitglieder des »Innovationsclusters HZwo – Antrieb für Sachsen«.

Weitere Informationen zur Wasserstoff-Strategie des Fraunhofer IWU und zum Aufbau des Brennstoffzellen-Technologiehubs sind unter dem folgenden Link zu finden:

https://s.fhg.de/xYN

Weitere Informationen zu Anwendungsfeldern der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Forschung am Fraunhofer IWU sind in der Titelgeschichte des aktuellen Fraunhofer-Magazins enthalten:

https://s.fhg.de/vU6

Das Fraunhofer IWU

Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU ist Innovationsmotor für Neuerungen im Umfeld der produktions- technischen Forschung und Entwicklung. Mit rund 670 hochqualifizierten Mitarbeitenden an den Standorten Chemnitz, Dresden, Leipzig, Wolfsburg und Zittau erschließen wir Potenziale für die wettbewerbsfähige Fertigung im Automobil- und Maschinenbau, der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Elektrotechnik sowie der Feinwerk- und Mikrotechnik. Im Fokus stehen Bauteile, Verfahren, Prozesse sowie komplexe Maschinensysteme – die ganze Fabrik. Unser Ziel als Leitinstitut für ressourceneffiziente Produktion sind Technologien auf Basis erneuerbarer Energien mit neu gedachten Informations- und Visualisierungstechnologien für die Menschen als Erfolgsgaranten in der Fabrik von morgen.

 

 

Vorbereitung des Werkzeugs für den Einsatz bei der Bipolarplatten- Fertigung (© Fraunhofer IWU)