Produktion Brennstoffzellen fast zum Preis von Ottomotoren fertigen

Autor / Redakteur: Thomas Günnel / Thomas Günnel

Brennstoffzellen wettbewerbsfähig fertigen: Drei Fraunhofer-Institute arbeiten dafür zusammen. Ihr Ziel: Bei den Herstellkosten mit Ottomotoren konkurrieren.

Firma zum Thema

Am Fraunhofer IWU entwickelte, technologieoptimierte Bipolarplatte aus Edelstahl für PEM-Brennstoffzellen.
Am Fraunhofer IWU entwickelte, technologieoptimierte Bipolarplatte aus Edelstahl für PEM-Brennstoffzellen.
(Bild: Fraunhofer IWU)

Drei Fraunhofer-Institute arbeiten an neuen Produktionstechnologien für kostengünstigere Brennstoffzellen. Das heißt: ein Antrieb mit Wasserstoff soll nicht deutlich teurer sein als einer mit Benzin. Bislang verfügt die Industrie laut Fraunhofer noch nicht über ausgereifte Technologien und durchgängige Fertigungslinien für die Brennstoffzellenproduktion. Stattdessen werden Einzelkomponenten teils manuell in Handarbeit gefertigt oder wenig automatisiert zusammengeführt und durchlaufen zeitaufwendige Prozesse zur Qualitätsüberwachung.

Hinzu kommt, dass Lieferketten fehlen, um die erforderlichen Stückzahlen bereitzustellen. Die Kosten von rund 1.000 Euro pro Kilowatt sind zudem für den Einsatz noch deutlich zu hoch. Marktführer Hyundai prognostiziert, dass sich bei circa 200.000 Einheiten pro Jahr Skaleneffekte erzielen lassen, die die Kosten eines Wasserstofffahrzeugs mit Alternativen vergleichbar machen.

Massenproduktion mit effektiven Technologien

Das Ziel der Institute: gängige 100-Kilowatt-Brennstoffzellensysteme für Automobile für rund 5.000 Euro herzustellen – weniger als zehn Prozent der bisherigen Kosten. „Das schaffen wir nur, wenn wir vom bisherigen Manufakturbetrieb in die Massenproduktion vorstoßen und zwar mit effektiven Technologien, die eine Fertigung von bis zu vier Brennstoffzellen-Stacks pro Minute erlauben“, sagt Ulrike Beyer, Leiterin der Wasserstoff-Taskforce am Fraunhofer IWU.

Um in dieser Geschwindigkeit produzieren zu können, wollen die Forscher Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten anders fertigen: durch kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Mit dieser Fertigungstechnologie sind laut Fraunhofer Stückzahlen für eine industrielle Serienfertigung möglich.

Was ist das Rolle-zu-Rolle-Verfahren?

Konkret heißt das: Mehrere Hundert Einzelzellen liefern den Strom für einen Antrieb. Die Zellen bestehen aus zwei metallischen Platten und einer Membran. In der Produktion werden die Bleche von 50 bis 100 Mikrometer Stärke zunächst mit geprägten Kanälen versehen, danach beschichtet und untereinander hochpräzise verschweißt. Bei der Membran-Herstellung sind verschiedene Auftrags- und Heißpressprozesse erforderlich.

Auf der Rolle-zu-Rolle-Anlage als automatisierter Pilotlinie sollen die beiden Prozessschritte Prägen und Beschichten in einem durchgängigen Prozess zusammenfinden.

Welche Schritte sind notwendig?

Das am Fraunhofer IWU entwickelte Walzprägen soll es ermöglichen, das charakteristische Flussfeld kontinuierlich durch eine rotierende Abrollbewegung in die Bipolarplatten einzubringen. Dafür erarbeiten die Forscher ein modulares System, das die geforderten 100 Bipolarplatten pro Minute für die industrielle Massenproduktion liefern kann.

Für die Beschichtung der Bipolarplatten für Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit nutzen die Institute eine neue Kohlenstoffbeschichtung von wenigen Nanometern. Die Kohlenstoffschichten erreichen laut der Projektpartner schon heute einen ähnlich niedrigen Kontaktwiderstand wie Gold – bei nahezu halbierten Beschichtungskosten. In einem automatisierten Prozess verspricht die Technologie zudem ein höheres Produktionstempo.

Brennstoffzellen-Produktion in Deutschland

Die Entwicklungsergebnisse fließen ein in den „Nationalen Aktionsplan Brennstoffzellen-Produktion“ der Fraunhofer-Gesellschaft. Fraunhofer bündelt hier in fünf dezentralen Clustern in Baden-Württemberg, Bayern, Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen und Sachsen die Forschungskompetenzen und -initiativen von insgesamt 20 Instituten.

Das Projekt „Hokome“ stellte Fraunhofer bei der digitalen Hannover Messe 2021 vor. Konkret die Institute für Produktionstechnologie IPT aus Aachen, für Werkstoff- und Strahltechnik IWS aus Dresden und für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU aus Chemnitz.

(ID:47341641)