Fraunhofer IWU: Bipolarplatten für Brennstoffzellen-Stacks der nächsten Generation

Forscher des Chemnitzer Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) entwickeln derzeit neue Fertigungstechniken für Bipolarplatten, die in Stacks das Herz von Brennstoffzellen bilden. Diese sollen in einer neuen Generation von Brennstoffzellen – den „Chemnitz Fuel Cells“ (CFC) – zum Einsatz kommen und für deutlich geringere Produktionskosten sowie eine Großserienproduktion sorgen. Um eine industrielle Fertigung zu erreichen, die hohe Stückzahlen in kurzer Zeit ermöglicht, werden die Bipolarplatten nun nicht mehr nur geprägt oder tiefgezogen, sondern auch mittels Hydroforming oder Walzverfahren angefertigt.

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. »Wir haben die Flussfeldgeometrie unserer Bipolarplatte so weiterentwickelt, 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«, erläutert Sebastian Melzer, Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung für Blechbearbeitung am Fraunhofer IWU.

Ziel: Verdopplung der Produktionsrate

Ziel der Forschenden ist eine Produktionsrate von mindestens 120 Bipolarplatten pro Minute. Das entspricht nach Angaben des IWU in etwa dem Doppelten dessen, was Industrieunternehmen momentan mit klassischem Tiefziehen oder Prägen schaffen.

„Unser Ziel sind höchste Produktionsraten, aber nicht jedes Verfahren ist für jede Art von Bipolarplatte geeignet. Das hängt vom Anwendungsfeld ab. Neben der Produktionsrate ist dann auch wichtig, in was für einer Brennstoffzelle die Platten später eingesetzt werden“, erklärt Dipl.-Ing. (BA) Stefan Polster, Leiter der Forschungsgruppe für Blechumformung. „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 bzw. das Hydroforming für Miniserien sind, das herkömmliche Tiefziehen für mittlere Mengen oder eben das Walzprägen für größte Stückzahlen.“

Sachsen als Brennstoffzellen-Technologiehub

Perspektivisch soll Sachsen zu einem Brennstoffzellen-Technologiehub aufgebaut werden, wie Dr.-Ing. Ulrike Beyer, Leiterin der Taskforce Wasserstoff@IWU, erklärt: „Sachsen braucht diesen Leuchtturm, damit die sächsische Industrie von der Energiewende profitieren kann. Das ist auch der Tenor der Energietechnikbranche im Freistaat. Deswegen entwickeln wir einen sächsischen Brennstoffzellen-Technologiehub. Er ist darauf ausgerichtet, Industrie und Forschung zu einem starken sächsischen Ökosystem für die Brennstoffzellen-Produktion 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.“

Das am IWU optimierte Fertigugnsverfahren für Bipolarplatten ist dabei nur ein Ausschnitt der Forschungsvorhaben am Chemnitzer Standort. Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme (ENAS) arbeiten die Beschäftigten an der komplett großserienfähigen Brennstoffzelle „Chemnitz Fuel Cell“ (CFC). „Wie bei einem erfolgreichen Fußballteam müssen alle Einzelteile perfekt ineinandergreifen, aber die vielen guten Spieler müssen auch finanzierbar sein“, erklärt Dr.-Ing. Beyer „Wir wollen mit der CFC in der ersten Liga der Brennstoffzellen-Produktion spielen und der sächsischen Industrie einen Steilpass für einen enormen Innovationsimpact liefern.“

Förderung durch Sächsisches Wissenschaftsministerium und EU

Für dieses Vorhaben hat die Wasserstoff- und Brennstoffzellenforschung am Fraunhofer IWU durch das Sächsische Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus (SMWK) und die Europäische Union zwei Millionen Euro Fördergelder erhalten. Mithilfe der Gelder soll unter anderem ein Prüfstand aufgebaut werden, der das Zusammenspiel zwischen Bipolarplatten-Design und Brennstoffzellenwirkungsgrad untersucht. „Der Herstellungsprozess einer Brennstoffzelle und ihrer Komponenten muss so gestaltet sein, dass neben dem Stückzahl-Output auch der Wirkungsgrad verbessert wird. Zugleich können wir bei der Fertigung Sensoren einbauen, die eine bessere Steuerung der Brennstoffzellen im Betrieb möglich machen“, so Sören Scheffler, Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Taskforce Wasserstoff@IWU.

Wasserstoffbasierte Energieträger als nächster logischer Schritt bei Dekarbonisierung

Im Fokus der Ambitionen steht dabei die Senkung des CO2-Ausstoßes, der durch die Industrie entsteht. „Seit über zehn Jahren steigern wir mit unseren wissenschaftlichen Methoden die Effizienz in der industriellen Produktion. Seit mehr als fünf Jahren entwickeln wir Lösungen für die energetische Flexibilisierung von Fabriken. Nun arbeiten wir mit der Integration wasserstoffbasierter Energieträger und den dafür notwendigen Komponenten daran, 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 Dipl.-Ing. Mark Richter, Abteilungsleiter Zukunftsfabrik am Fraunhofer IWU.

Weitere Informationen zur Taskforce Wasserstoff@IWU sind hier zu finden.