Wasserstofftechnologien können einen großen Beitrag dazu leisten, Klimaneutralität in einer modernen, ressourcenschonenden und gleichzeitig wertschöpfenden Gesellschaft zu erreichen. Während der Hannover Messe Digital 2021 stellen drei Fraunhofer-Institute exemplarisch vor, an welchen Initiativen sie in Nordrhein-Westfalen und Sachsen bereits gemeinsam arbeiten.
In einem Live-Stream zeigen die Fraunhofer-Institute für Produktionstechnologie IPT aus Aachen, für Werkstoff- und Strahltechnik IWS aus Dresden und für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU aus Chemnitz, mit welchen Produktionstechnologien Brennstoffzellen zukünftig gefertigt werden können. Ziel der drei Institute ist es, dass Brennstoffzellensysteme in der Herstellung nicht länger deutlich teurer sein müssen als herkömmliche benzinbetriebene Antriebe. Die Produktion gängiger 100-Kilowatt-Brennstoffzellensysteme für Automobile würde dann nur noch rund 5000 Euro kosten – weniger als zehn Prozent der bisherigen Kosten.
„Das schaffen wir nur, wenn wir vom bisherigen Manufakturbetrieb in die Massenproduktion vorstoßen – und zwar mit effektiven Technologien, die eine Fertigung von bis zu vier Brennstoffzellen-Stacks pro Minute erlauben“, sagt Dr. Ulrike Beyer, Leiterin der Wasserstoff-Taskforce am Fraunhofer IWU. Um in dieser Geschwindigkeit produzieren zu können, richten die Forscher ihren Blick auf die Komponenten, die das Herz der Brennstoffzelle bilden: Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten. Diese sollen künftig durch kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt werden. Mit dieser Fertigungstechnologie können bislang unerreicht hohe Stückzahlen erzielt werden, wie sie für eine industrielle Serienfertigung gefordert werden.
Ziel der drei produktionstechnischen Institute ist es, den wirtschaftlichen Durchbruch von Brennstoffzellen national und international zu beschleunigen und die Einzeltechnologien von der Forschung rasch in die industrielle Anwendung zu überführen.
Neue Umformverfahren für Großserie zur Marktreife führen
In Vorbereitung auf die Großserienfertigung müssen vor allem neue Umformverfahren für die Herstellung der Bipolarplatten zur Marktreife geführt werden. Hier bietet das am Fraunhofer IWU entwickelte Walzprägen einzigartige Möglichkeiten, das charakteristische Flussfeld kontinuierlich durch eine rotierende Abrollbewegung in die Bipolarplatten einzubringen. Für dieses Verfahren erarbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler jetzt ein modulares System, das die geforderten Ausbringungsmengen von 100 Bipolarplatten pro Minute für die industrielle Massenproduktion liefern kann. Eine besondere Herausforderung ist hier die Kopplung mit den vor- und nachgelagerten Prozessschritten bis hin zur Inline-Qualitätskontrolle. Indem die Forschenden alle Teilprozesse von Beginn an ganzheitlich in den Rolle-zu-Rolle-Fertigungskonzepten betrachten, soll sich das Produktionsvolumen zukünftig flexibel an eine reale Nachfrage adaptieren lassen. Ziel des Fraunhofer IWU ist der Aufbau einer Referenzfabrik in Chemnitz, in der Industrie und Forschung gemeinsam stückzahlskalierbare Technologien für die Stack-Produktion entwickeln.
Produktivere Beschichtung von Bipolarplatten
Wurden die Bipolarplatten in Brennstoffzellen bisher im Batch beschichtet, um ihre Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten, setzt das Fraunhofer IWS aus Dresden nun auf eine neue Kohlenstoffbeschichtung von wenigen Nanometern, die durch ein PVD-Verfahren (Physikalische Gasphasenabscheidung) aufgebracht wird. Dieses Konzept eignet sich gerade auch für Bandverfahren und kann so die Fertigungskosten abermals stark reduzieren. Die Kohlenstoffschichten erreichen schon heute einen ähnlich niedrigen Kontaktwiderstand wie beispielsweise Gold – bei nahezu halbierten Beschichtungskosten. In einem automatisierten Prozess verspricht die Technologie zudem ein höheres Produktionstempo. Diese neuen Beschichtungsverfahren können zukünftig in eine Rolle-zu-Rolle-Anlage, wie sie das Fraunhofer IPT entwickelt, integriert werden. Sie bilden damit neben den ebenfalls erforderlichen Schweiß- und Umformprozessen einen weiteren Schritt zu einer vollständig automatisierten Fertigungskette.
Fraunhofer IWU koordiniert Nationalen Aktionsplan
Die Entwicklungsergebnisse zur kostengünstigen, automatisierten Massenproduktion von Brennstoffzellen, die durch die gemeinsame Forschung der drei Institute erzielt werden, fließen ein in den Nationalen Aktionsplan Brennstoffzellen-Produktion der Fraunhofer-Gesellschaft. Fraunhofer bündelt hier in fünf dezentralen Clustern in Baden-Württemberg, Bayern, Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen und Sachsen die Forschungskompetenzen und -initiativen von insgesamt 20 Instituten. Das föderale Konzept setzt auf vorhandene Infrastrukturen und ermöglicht es Unternehmen aus ganz Deutschland, aber auch international, von den Forschungsprojekten zu profitieren und einen schnellen Technologietransfer zu erzielen. Koordiniert wird der Nationale Aktionsplan durch das Fraunhofer IWU.
