Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Forschungsprojekt »HYEFFMILL«
Technologien zur Erzeugung von Wasserstoff bieten ebenso wie Brennstoffzellen einen Schlüssel zur klimaneutralen Energieversorgung und Mobilität. Laut einer aktuellen Prognose des Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking (FCH 2 JU) werden allein in Deutschland bis zum Jahr 2030 voraussichtlich mehr als eine Million Brennstoffzellenfahrzeuge (PKW, LKW, Busse, Züge) und über 173 000 brennstoffzellenbasierte Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) für die stationäre Energieversorgung von Gebäuden in Betrieb genommen. Europaweit sind es im gleichen Zeitraum über fünf Millionen Fahrzeuge und mehr als eine Million KWK-Anlagen. Im Jahr 2019 wurden in Europa lediglich 1,2 Prozent der weltweit in Verkehr gebrachten Brennstoffzellen gefertigt. Durch neue Herstellungsprozesse und Werkzeuge könnte dieser Anteil, trotz Konkurrenz aus den USA und Asien, noch deutlich wachsen.
Bipolarplatte – Zentrales Bauteil und Kostenfaktor
In Brennstoffzellen werden gasförmige Energieträger – meist Wasserstoff – zu Strom umgewandelt. Neben der Membran-Elektrodeneinheit ist die Bipolarplatte (BiP) wichtigstes Bauteil der Brennstoffzelle: Mehrere hundert dieser metallischen Bipolarplatten werden in einer einzigen Brennstoffzelle verbaut und zu Stapeln – sogenannten Stacks – geschichtet. Bis zu 7,3 Milliarden der metallischen Platten sind allein in Europa notwendig, um die oben aufgeführte Menge an Fahrzeugen und KWK-Anlagen herzuststellen.
Bipolarplatten haben allerdings auch einen bedeutenden Anteil an den Produktionskosten: Bis zu 45 Prozent der Produktionskosten einer Brennstoffzelle werden zurzeit in der Fertigung von Bipolarplatten verursacht. Das liegt zum einen an der aufwändigen Fertigung der Platten selbst, und zum anderen sind die Standzeiten der eingesetzten Umformwerkzeuge noch zu kurz. Die Fertigung der Bipolarplatten zu optimieren ist also unerlässlich für eine kostengünstige Großserienfertigung von Brennstoffzellen.
40 Prozent schnellere Fertigung von Bipolarplatten-Formenwerkzeugen
Das Ziel des Forschungsprojekts »HYEFFMILL« war eine deutlich leistungsstärkere und wirtschaftlichere Fräsformgebung für Bipolarplatten-Formenwerkzeuge. Bipolarplatten-Formwerkzeuge können dann anhand verschleißoptimierter Mehrschneiden-Mikrofräswerkzeuge bis zu 40 Prozent schneller hergestellt werden.
Verschleißoptimierte Mehrschneiden-Mikrofräswerkzeuge
Um dieses Ziel zu erreichen, entwickelte die Zecha Hartmetall-Werkzeugfabrikation GmbH gemeinsam mit dem Fraunhofer IPT leistungsfähige und verschleißarme Mikrofräswerkzeuge. Zur effizienten Evaluierung der Werkzeug-Prototypen in Fräsexperimenten entwickelte das Fraunhofer IPT zunächst eine weitgehend automatisierte optische Prüfung des Werkzeugzustands.
Ein zweiter Schwerpunkt lag auf der empirischen Modellierung des Fräsprozesses, um den Verschleiß abhängig von den gewählten Prozessparametern so gut wie möglich vorherzusagen. Auf Basis statistischer Berechnungen können dann Versuche geplant, Fehler im Vorfeld kompensiert und die Fräsprozesse mit optimaler Prozessührung durchgeführt werden. Auf diese Weise wird die geometrische Genauigkeit der Bipolarplatten-Formwerkzeuge gesteigert.
Projektpartner
ZECHA Hartmetall-Werkzeugfabrikation GmbH
Benzstraße 2
75203 Königsbach-Stein (Projektoordination)
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Steinbachstraße 17
52074 Aachen
Projektförderer
Das Projekt »HYEFFMILL« wurde im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) des BMWK-Innovationsnetzwerks vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
Projektträger
VDI/VDE Innovation + Technik GmbH