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Brennstoffzellen im Fahrzeug

Fraunhofer erforscht neue Fertigungstechniken für Bipolarplatten

14. Dezember 2020, 14:30 Uhr   |  Stefanie Eckardt

Fraunhofer erforscht neue Fertigungstechniken für Bipolarplatten
© Fraunhofer IWU

Am Fraunhofer IWU hergestellte, technologieoptimierte Bipolarplatte aus Edelstahl für PEM-Brennstoffzellen

Nach wie vor werden Brennstoffzellen und viele ihrer Einzelteile – wie etwa Bipolarplatten und Stacks – nicht industriell in Großserien gefertigt. Sie entstehen unter Manufakturbedingungen, was sie teuer macht und ihren breiten Einsatz u.a. im Fahrzeug verhindert.

Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU arbeitet derzeit an neuen Herstellungsverfahren für Bipolarplatten von Brennstoffzellen. Ziel: Erheblich reduzierte Produktionskosten als bei bisherigen Herstellungsverfahren und damit letztendlich der Schritt zur Serienfertigung. Dabei wählt das IWU Hydroforming als Ansatz.

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. Zudem wird nur eine Anpressform benötigt. »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. »Wir wollen eine Produktionsrate von mindestens 120 Bipolarplatten pro Minute erreichen. Das ist ungefähr das Doppelte von dem, was Industrieunternehmen momentan mit klassischem Tiefziehen oder Prägen schaffen.«

Von der Bipolarplatten-Produktion zur Stack-Entwicklung

Die Arbeit am Herz der Brennstoffzellen in den Chemnitzer Forschungsanlagen von Fraunhofer ist Teil einer Forschungsinfrastruktur für ein ganzes Produktionssystem für Brennstoffzellen in verschiedenen Anwendungs­bereichen. Mit der Forschung zur Bipolarplatten-Produktion geht das Fraunhofer IWU dabei voran auf dem Weg zu Stacks der nächsten Generation. Zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS, das seinen Sitz ebenfalls in Chemnitz hat, arbeiten die Forscher an der komplett großserienfähigen Brennstoffzelle: der Chemnitz Fuel Cell, kurz: CFC.

Einen besonderen Schub bekommt die Wasserstoff- und Brennstoffzellen­forschung am Fraunhofer IWU durch eine Förderung in Höhe von zwei Millionen Euro durch das Sächsische Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus (SMWK) und die Europäische Union. Diese Mittel fließen in einen Brennstoffzellen-Prüfstand, mit dem sich beispielsweise ermittelt lässt, inwiefern ein bestimmtes Bipolarplatten-Design den Wirkungsgrad von Brennstoffzellen beeinflusst. »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«, erklärt Sören Scheffler, Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Taskforce Wasserstoff@IWU.

In der Forschung zu alternativen Antrieben werden die Mittel eingesetzt, um herauszufinden, wie sich Temperaturschwankungen und Belastungsspitzen in Brennstoffzellen am besten bewältigen lassen. Außerdem geht es um die Frage, welche Antriebskonzepte sich am besten mit Brennstoffzellen kombinieren lassen.

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