Wasserstofftechnologien in der Großserie umsetzen

Während Elektrolyseure elektrische in chemische Energie umwandeln und diese in Form von Wasserstoff speichern, werden Brennstoffzellen für die Rückumwandlung in Strom eingesetzt. Beide Wasserstofftechnologien benötigen Bipolarplatten, die in Brennstoffzellensystemen die Wandlungskomponenten MEA (Membran-Elektroden-Einheit) und in Elektrolyseuren die CCM (Katalysatorbeschichtete Membran) umschließen. Bezeichnet werden solche Einheiten als Zellen. In Elektrolyseuren und Brennstoffzellen bilden mehrere gestapelte und in Serie geschaltete Zellen einen Stack. Für den Stack steht nun ein neuer Designbaukasten zur Verfügung, aus dem sich maßgeschneiderte Zelldesigns ableiten lassen.

Neu im Technologiebaukasten: Zelldesigns

Ziel der Referenzfabrik.H2 ist es, die Produktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen fit für die industrielle Serienfertigung machen. Wesentliches Element ist der Aufbau eines Technologiebaukastens mit verschiedenen Verfahrensvarianten, die für die Herstellung von Wasserstoffsystemkomponenten eigens geschaffen oder optimiert wurden. Neu im Technologiebaukasten ist ein Stack, der beispielhaft ein neuartiges, aus dem Designbaukasten abgeleitetes Zelldesign umsetzt. In diesem Stack sind die bisherigen Forschungsergebnisse der drei Fraunhofer-Institute aus dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Wasserstoffleitprojekt „H2Giga“ (Verbundprojekt FRHY) gebündelt.

Verfahren zur Herstellung von Bipolarplatten

Ein aktueller Forschungsschwerpunkt in der Referenzfabrik.H2 sind effiziente, hochratenfähige Prozesse zur Herstellung von Bipolarplatten. Zum Beispiel wird mit der neu entwickelten Walztechnologie die Struktur der Bipolarplatte durch ein Walzenpaar geprägt. Hauptvorteil dieses Verfahrens ist die hohe Prozessgeschwindigkeit, die zu einer substanziellen Steigerung der Stückzahlausbringung, Skaleneffekten und schließlich zu einer deutlichen Reduktion der Kosten führt. Zur Herstellung einer Bipolarplatte lassen sich auch verschiedene Verfahren kombinieren. Wenn eine besonders hohe Präzision der Prägung erzielt werden muss, ist ein getakteter Umformpress sinnvoll. Der hybride Umformprozess kombiniert die Vorteile beider Verfahren, wobei sich die Maschinentechnik flexibel an die erforderlichen Geometrien und Fertigungstoleranzen anpassen lässt, sodass sich wirtschaftliche Vorteile für Lieferanten ergeben.

CCM/MEA und Inkjet-Druckverfahren

Auch die Weiterentwicklung der Inkjet-Drucktechnologie und daran anschließend die Entwicklung einer Anlagentechnologie für die wirtschaftliche Herstellung von CCM und MEA in großen Stückzahlen nimmt die Referenzfabrik.H2 in den Blick. Insbesondere Verfahren zur Beschichtung und nachfolgende Prozesse stehen im Fokus. Die Fraunhofer-Forschenden setzen beispielsweise auf das innovative Inkjet-Druckverfahren. Dabei lässt sich im Druckprozess der Auftrag von Platin- und Iridium-Partikeln präzise portionieren und positionieren. Der Clou: Die Viskosität der Druckertinte ist so eingestellt, dass der Druckkopf nicht verstopft und die Membran dennoch nicht aufquellen kann. Neben effizienten Produktionsprozessen konzentrieren sich Forschende und industrielle Partner bei CCM und MEA auf die Qualität, die großen Einfluss auf Effizienz und Haltbarkeit von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen hat.

Skalierbare Prozesse

Stückzahlskalierbare Produktionslösungen und Prozessketten sind für den erfolgreichen Markthochlauf von Elektrolyseur und Brennstoffzelle entscheidend. Insbesondere bei den Brennstoffzellen stellt der jeweilige Einsatzbereich unterschiedliche Anforderungen an Robustheit und Lebensdauer. Produktionsprozesse müssen dies berücksichtigen und entsprechend anpassbar sein. Die Erstellung und Erprobung seriennaher Prototypen für diese Prozesse ist ein wichtiger Schritt zur Beurteilung ihrer Skalierbarkeit. Die in der Referenzfabrik.H2 entwickelten Maschinenkonzepte eignen sich daher auch für die Herstellung kleinerer Stückzahlen. Flexibilität hinsichtlich des Zelldesigns und der Zellchemie ist wichtig, damit sich sowohl Kleinserien als auch große Stückzahlen fertigen lassen.

Globale Klimaziele sind erreichbar

Wasserstoffsysteme spielen eine zentrale Rolle, um die globalen Klimaziele zu erreichen. Allerdings werden diese Elektrolyseure und Brennstoffzellen noch in sehr geringen Stückzahlen produziert. Für eine konsequente Reduzierung der CO₂-Emissionen und den Übergang in ein wasserstoffbasiertes Wirtschaften muss sich die Verfügbarkeit dieser Systeme bei deutlich niedrigeren Herstellkosten verbessern. Dies erfordert eine industrielle Massenproduktion und dafür geeignete Produktionstechnologien in hocheffizienten Produktionssystemen. Zum Beispiel können neuartige Rolle-zu-Rolle-Technologien für die Herstellung der Zellkomponenten die Produktionsraten von einigen wenigen auf über 100 Teile pro Minute steigern und dank der Skaleneffekte zugleich die Herstellkosten um rund 90 % senken.

Hohe Stückzahlen bei deutlich geringeren Produktionskosten

In der Referenzfabrik.H2 bringen Industrieunternehmen ihre Kernkompetenzen in die Wertschöpfungskette ein und entwickeln diese gemeinsam mit anderen Industrieunternehmen weiter. So kann es gelingen, im Schulterschluss mit der Wissenschaft schneller voranzukommen und kostengünstige Systeme für den Masseneinsatz zu produzieren. Für Industrieunternehmen aller Branchen und Größen sind drei Beteiligungsstufen vorgesehen. Die Einstiegsstufe richtet sich an Unternehmen, die ihren Platz in der Wertschöpfungskette noch präzisieren möchten und mit Workshops und Studien Orientierung erhalten. In der nächsten Stufe, der Experten-Ebene, erfahren Unternehmen Unterstützung bei der Technologieentwicklung. Auf der Champion-Ebene stellt die Wertschöpfungsgemeinschaft Materialien und die Herstellung von Prototypmustern bereit. Seit Januar 2023 können Unternehmen Teil dieser Wertschöpfungsgemeinschaft werden. 20 Firmen sind bereits an Bord und gestalten den Einstieg in die Wasserstoffwirtschaft aktiv mit.

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