Der Weg zu einer nachhaltigen Energiezukunft führt über den Einsatz von Wasserstoff als alternativem Energieträger. Eine Schlüsselrolle nimmt dabei die Brennstoffzelle ein, die aus Wasserstoff elektrische Energie gewinnt und somit eine Alternative zum Verbrennungsmotor darstellt. Obwohl die Grundlagen der Brennstoffzellentechnologie bereits gut erforscht sind, mangelt es noch an Produktionsverfahren, die es ermöglichen, die Komponenten kostengünstig in großer Zahl herzustellen. An diesem Punkt setzt das Forschungsprojekt „H2GO“ an, in dem 19 Fraunhofer-Institute ihre Expertise bündeln, um die Serienfertigung von Bipolarplatten – dem zentralen Bauteil von Brennstoffzellen – zu optimieren.
Um solche Platten in großen Mengen fertigen zu können, entwickeln die Forschenden des Fraunhofer IPT zwei unterschiedliche Umformverfahren. Bei der diskreten Umformung wird das Design der Brennstoffzelle über einen Werkzeugeinsatz im Folgeverbundwerkzeug auf ein Metallblech geprägt. Parallel dazu verfolgen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Ansatz zur kontinuierlichen Fertigung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren (R2R). Dabei wird das Brennstoffzellendesign mittels einer Prägewalze auf eine metallische Folie aufgebracht. Beide Technologien sollen die Herstellung von Bipolarplatten-Halbschalen in industriellem Maßstab möglich machen.
Kontinuierliche Fertigung von Brennstoffzellen-Komponenten im R2R-Verfahren
Die diskrete Umformung von Bipolarplatten-Halbschalen im Folgeverbundwerkzeug hat sich bislang noch nicht als serientaugliches Verfahren etabliert. Es bleibt eine Herausforderung, eine hohe Taktung von mehr als 60 Hüben pro Minute bei gleichbleibender Qualität zu erzielen. Die Forschenden des Fraunhofer IPT arbeiten deshalb daran, die Umform- und Stanzwerkzeuge sowie die zugehörigen Pressensysteme zu verbessern. Dafür integrieren sie ein Erwärmungsmodul in das Folgeverbundwerkzeug, um das dünne Blechmaterial besser formbar zu machen. Eine Inline-Qualitätsprüfung soll zudem Produktionsfehler frühzeitig erkennen und Ausschussraten minimieren. Weil Bearbeitungsschritte und Optimierung der Einzelprozesse auf diese Weise verkettet werden, sollen sich Produktivität und Qualität der Bipolarplatten-Fertigung steigern.
Die kontinuierliche Produktion von Bipolarplatten-Halbschalen im Rolle-zu-Rolle-Verfahren bietet einen vielversprecherenden Fertigungspfad. Im Projekt „H2GO“ optimieren die Forschenden des den Prägevorgang. Dazu testen sie verschiedene Prozessparameter hinsichtlich Geometrie- und Strukturgenauigkeit der entstehenden Halbschalen. Zusätzliche Sensoren an den Prägewalzen des sogenannten Kalanders liefern Informationen über auftretende Verformungen. Indem sie den Prozess mit Simulationen abgleichen, können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Maschinensystem gezielt verbessern und vereinfachen. Eine Regelung des Spalts zwischen den Prägewalzen durch zusätzliche Messtechnik optimiert die Abformqualität zusätzlich.
Optimale Werkstoffe für lange Standzeiten in der Brennstoffzellen-Fertigung
Nicht nur der Maschinenaufbau und die Produktionsverfahren, sondern auch die Designs der Bipolarplatten werden verändert. Ziel ist es, die Form zu finden, die sich am besten für das Rolle-zu-Rolle-Verfahren eignet. Da die Abformqualität von der Beschaffenheit der Walzenstruktur abhängt, untersuchen die Forschenden des Fraunhofer IPT auch die Standzeiten verschiedener Walzenmaterialien an einem speziellen Verschleißprüfstand. So gewinnen sie Erkenntnisse über die voraussichtliche Nutzungsdauer der Walzen. Diese Informationen ermöglichen eine genauere Berechnung von Verschleiß und Prozesskosten und erlauben somit einen Vergleich unterschiedlicher Produktionsverfahren hinsichtlich der Kosten pro gefertigtem Teil.
Lückenlose Rückverfolgung durch Track-and-Trace-Technologie
Sowohl bei der diskreten als auch bei der kontinuierlichen Fertigung durchlaufen Bipolarplatten-Halbschalen zahlreiche Einzelprozesse – von der Formgebung über Reinigung und Dichtungsauftrag bis hin zur Laserbearbeitung. Um den Weg jeder Komponente durch die Prozesskette lückenlos nachvollziehen zu können, setzen die Forschenden auf neue Beschriftungs- und Scannertechnologien. Jedes Werkstück erhält im ersten Prozessschritt einen Data-Matrix-Code (DMC), der in den Folgeschritten ausgelesen und erfasst wird. Indem sie den Code mit Qualitäts- und Maschinendaten verknüpfen, erhalten die Forschenden Informationen, anhand derer sie die Fertigung gezielt verbessern können.
Das Forschungsprojekt „H2GO“ wird durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMVD) im Rahmen des Nationalen Innovationprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Phase 2 (NIP II) gefördert. Auf der Hannover Messe präsentiert das Fraunhofer IPT in Halle 13 am Stand C47 seine Aktivitäten rund um die Brennstoffzelle und gibt Einblicke in die neuesten Entwicklungen. Interessierte Besucher haben die Möglichkeit, sich aus erster Hand über das Potenzial neuer Produktionstechnologien für die Brennstoffzelle zu informieren.
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