Produktion von Brennstoffzellen-Stacks

Als Alternative zur batteriebetriebenen Mobilität können mit wasserstoffbasierten PEM-Brennstoffzellen (Protonen-Austausch-Membran, englisch: Proton Exchange Membrane) hohe Reichweiten ohne CO₂-Emissionen erreicht werden. Durch die Speicherung von Wasserstoff in Tanks sind Brennstoffzellenfahrzeuge im Vergleich zu batterieelektrischen Automobilen leichter und erzielen deutlich höhere Reichweiten. Weitere Anwendungen, in denen diese Eigenschaften benötigt werden, sind Luftfahrzeuge wie Kurzstreckenflugzeuge und Drohnen.

Zur Erzeugung von »grünem« Wasserstoff werden Elektrolyseure eingesetzt, deren hohe Dynamik eine direkte Umwandlung von nachhaltig erzeugtem Strom in Wasserstoff als Speichermedium und Energieträger ermöglicht. In beiden Systemen verursacht die Produktion der einzelnen Komponente sowie das Montieren des Stacks jedoch heute noch hohe Kosten.

Das Fraunhofer IPT entwickelt Fertigungsprozesse und großserientaugliche Produktionsketten für unterschiedliche Komponenten eines Brennstoffzellen-Stacks. Ziel ist dabei, die hohen Herstellungskosten von Stack-Komponenten zu senken. Indem die Produktionsschritte weiterentwickelt und automatisiert werden, soll es gelingen, den wachsenden Bedarf an Brennstoffzellen und Elektrolyseuren zu bedienen und die Großserienfertigung von Stacks effizienter zu gestalten. Dabei konzentriert sich das Fraunhofer IPT auf die Kern-Komponenten eines Stacks: auf die Bipolarplatte (BPP) und Membrane-Electrode-Assembly (MEA) sowie auf die Montage des gesamten Stacks. Gemeinsamen bilden diese Komponenten eine von vielen Einzelzellen, die in hundertfacher Ausführung in Reihe geschaltet werden. Bei Elektrolyseur-Stacks kann auf diese Weise eine elektrische Eingangsleistung von mehreren Megawatt für die Herstellung von grünem Wasserstoff genutzt werden. Die elektrische Ausgangsleistung solcher Brennstoffzellen-Stacks kann mehr als 100 Kilowatt betragen.

Bipolarplatten durchlaufen mehrere Einzelschritte in der Herstellung. Das Fraunhofer IPT analysiert und optimiert wesentliche Produktionsschritte, um die Großserienfertigung vorzubereiten. Dazu gehören die Umformung genauso wie das Laserschneiden und Laserschweißen. Für das Aufbringen der Dichtung werden unterschiedliche Verfahren experimentell getestet und bewertet. Die Produktion der MEA besteht aus kontinuierlichen Verfahren zur Beschichtung und diskreter Fertigung der Einzelkomponenten kontinuierliche und diskontinuierliche Prozesse eingesetzt. Neben einer hohen Positionsgenauigkeit der Einzelkomponenten ist die Auswahl der Produktionstechnologien für ein ressourcenschonendes Einsetzen des Katalysators entscheidend. Um die Einzelkomponenten in kurzer Zeitdauer vollautomatisiert zu einem Stack zusammenzusetzen, analysieren wir verschiedene Technologien und wählen geeignete Verfahren für die Handhabung der Komponenten aus.

Das Fraunhofer IPT baut Produktionslinien für die Stackfertigung auf, die das Stacking für Anwendungen in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren vorbereiten und eine hochvolumige Produktion von BPP und MEA ermöglichen. Neben der Analyse von Einzeltechnologien werden die Kosten transparent und detailliert analysiert und verschiedene Werkstoffe eingesetzt. Durch die Skaleneffekte einer Produktion in hohen Stückzahlen lassen sich die Fertigungskosten in realen Produktionsumgebungen spürbar senken.

• Rapid Prototyping und Abmusterung individueller Designs in der Produktion von Bipolarplatten
• Marktanalysen und Beratung zu Produktionsprozessen verschiedener Komponenten für Brennstoffzellen und Elektrolyseure
• Auslegung gesamter Produktionslinien für die großserientaugliche Produktion unter Berücksichtigung von Automatisierungs- und Handlinglösungen.
• Automatisierte Reinigung von Komponenten
• Technologie-Benchmarks: Analyse und Bewertung von Produktionstechnologien
• Beratung zum Thema Digitalisierung der Produktion für die Qualitätssicherung
• Wertstromanalysen für Produktionsprozesse