Fraunhofer will Fertigung von BZ-Stacks beschleunigen

Die Brennstoffzellen-Produktion für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge ist bislang aufwendig und langsam. Ein Fraunhofer-Team entwickelt deshalb eine durchgängige Produktionsanlage, die künftig Brennstoffzellen-Komponenten im Sekundentakt verarbeiten soll.

Die in Entwicklung befindliche Pilotlinie wollen die Initiatoren des Projekts vom 12. bis 16. April 2021 auf der Hannover Messe Digital Edition vorstellen. Hinter dem Vorhaben steht die Überlegung, dass es eine Massenfertigung, die den künftigen Bedarf an BZ-Komponenten decken könnte, in Europa noch nicht gibt. „Derzeit fehlt es vor allem an einer geschlossenen Prozesskette, in der wie am Fließband Brennstoffzellen-Komponenten gefertigt und zu einem Ganzen zusammengebaut werden“, teilt die Fraunhofer-Gesellschaft mit.

Wir erinnern uns: Im Juni 2020 hatte die Bundesregierung ihre Wasserstoffstrategie verabschiedet, wonach unter anderem bis 2040 in Deutschland Elektrolyse-Anlagen zur Wasserstoffproduktion mit einer Gesamtleistung von zehn Gigawatt aufgebaut werden sollen. Und für Europa sieht die Europäische Kommission in ihrer „Hydrogen Strategy“ vor, weitere 40 Gigawatt an Elektrolyse-Leistung aufzubauen.

Die Fertigung entsprechender Brennstoffzellen-Komponenten steckt jedoch noch in den Kinderschuhen. „Wir brauchen durchgängige Fertigungslinien, die im Sekundentakt Komponenten auswerfen und verarbeiten können. Davon ist die Industrie in Europa aktuell noch weit entfernt“, sagt Christoph Baum, Geschäftsführer des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT in Aachen. Heute sei die Regel, dass verschiedene Komponenten von verschiedenen Produzenten gefertigt und anschließend zur Brennstoffzelle zusammengebaut werden. Auch laufen die Fertigungsschritte wie das Formen, Reinigen, Beschichten oder Fügen der Brennstoffzellen-Bauteile laut Baum räumlich voneinander entfernt in unterschiedlichen Maschinen-Inseln ab. „Alles in allem ergibt sich so eine aufwendige Logistik innerhalb der Fertigung. Teile müssen mehrfach aufgenommen, abgelegt und zwischengelagert werden – das ist zeitraubend.“

Das Fraunhofer IPT entwickelt daher erstmals eine durchgängige Pilotlinie im Forschungsumfeld, in der Brennstoffzellenkomponenten vor Ort gefertigt und zum fertigen Produkt zusammengefügt werden. Im Detail geht es dabei um „die Fertigung des Herzstücks einer Brennstoffzelle, des sogenannten Stacks“, wie die Fraunhofer-Gesellschaft ausführt. Zum Einsatz kommen sollen bei der Produktion spezielle Greifwerkzeuge (sogenannte Pick-and-Place-Automaten).

Die Pilotlinie wird wie eingangs erwähnt Mitte des Monats auf der Hannover Messe Digital Edition vorgestellt: In einem Livestream berichtet das Fraunhofer IPT gemeinsam mit dem Fraunhofer IWS und dem Fraunhofer IWU über den Aktionsplan und erste Forschungsergebnisse. „Ziel der drei produktionstechnischen Institute ist es, den wirtschaftlichen Durchbruch der Brennstoffzellen und Elektrolyseure national und international zu beschleunigen und den Aktionsplan sowie die Einzeltechnologien zur Herstellung von Brennstoffzellen von der Forschung rasch in die industrielle Anwendung zu überführen“, unterstreicht die Fraunhofer-Gesellschaft.

Aktuell treibt das Fraunhofer IPT die Automatisierung der Pilotlinie im Projekt CoBIP (Kontinuierliche Rolle-zu-Rolle Fertigung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen) zusammen mit dem Fraunhofer ILT, dem Forschungszentrum Jülich und mehreren Industriepartnern noch weiter voran. Die Forscher verfolgen einen Ansatz, bei dem die Bipolarplatten des BZ-Stacks quasi in einem Folienstrang von der Rolle verarbeitet werden. „Der Folienstrang durchläuft die Maschine und damit alle Prozessschritte vom Rohling über das Umformen, das Bedampfen und das Reinigen bis zum Fügen mit dem Laser“, heißt es in einer Mitteilung.  „Erst ganz zum Schluss werden die Bipolarplatten vom Strang abgeschnitten und vereinzelt. Diese durchgängige Fertigung von der Rolle zum fertigen Stück wird viele Handling-Schritte einsparen.“

Die Anlage soll so flexibel konstruiert werden, dass Industriepartner einzelne Fertigungsmodule nach Belieben austauschen und testen können. „Wir geben damit den Herstellern ein Werkzeug an die Hand, mit dem sie eine durchgehende Prozesslinie nach eigenen Wünschen gestalten und optimieren können“, so das Projektteam.

„In Europa verfügen wir zwar über viel System-Know-how, um hochwertige Brennstoffzellen herzustellen. Es fehlt aber an Möglichkeiten, Brennstoffzellen in industriellem Maßstab zu wettbewerbsfähigen Preisen zu produzieren“, resümiert Christoph Baum. Produktionslinien wie es sie heute bereits bei Hyundai oder Toyota gebe. Baum mahnt, dass bei den Brennstoffzellen die Hürde einer industriellen Produktionsskalierung nicht unterschätzt werden dürfe. Ähnlich wie bei Batterien ist der Transfer von Systemen aus dem Labor in die Massenproduktion ein aufwendiger Schritt.
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