Kostengünstigere Brennstoffzellen für Automobil und Flugzeug

Die Automobilindustrie und die Luftfahrtbranche setzen verstärkt auf alternative Antriebsformen und beziehen dabei auch wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen in ihre Überlegungen ein. Eine kostengünstige Brennstoffzelle ist neben der Infrastruktur Voraussetzung.

Die Herstellungskosten der Brennstoffzellen sollen durch eine großserientaugliche Fertigungskette der erforderlichen Komponenten deutlich gesenkt werden. Sogenannte Bipolarplatten machen einen großen Gewichtsanteil der Brennstoffzelle aus und verursachen bis zu 45 % der Produktionskosten einer Zelle. In hohen Stückzahlen bieten sie ein erhebliches Einsparpotenzial.

Um das zu realisieren, arbeitet das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) aus Aachen gemeinsam mit fünf Partnern aus Industrie und Wissenschaft im Forschungsprojekt FlyGO an neuen Konzepten und Systemen für die Großserienfertigung.

Risse vermeiden

Zur Produktion dieser dünnen Blechplatten mit einer Stärke von einem Zehntel Millimeter wird das Blech durch Umform- und Schneidprozesse bearbeitet. Anschließend werden jeweils zwei Platten zusammengeschweißt, beschichtet und mit einer Dichtung versehen. Für die Oberflächenstruktur der Bipolarplatte sind hohe Umformgrade bei Kanaltiefen von bis zu 0,8 mm mit möglichst kleinen Radien erforderlich. Je nach Plattengeometrie können bei der Herstellung mit konventionellen Umformverfahren Risse im Blech auftreten.

Durch eine lokale Erwärmung wollen die Ingenieurinnen und Ingenieure am Fraunhofer IPT die Umformbarkeit des Blechmaterials Titan und Edelstahl (1.4404, 1.4301) verbessern und so die Risse und Ausdünnungen verhindern. Auch die Anzahl der benötigten Bearbeitungsschritte soll reduziert und der Werkzeugverschleiß verringert werden. Titan beispielsweise ist ein Leichtmetall, das das Gewicht der Brennstoffzelle weiter verringern kann, allerdings ist es sprödhart und lässt sich bei Raumtemperatur nur schwer umformen. Die Warmumformung verspricht eine neue Einsatzmöglichkeit von Titan als Blechmaterial für Bipolarplatten.

Damit die dünnen Blechplatten während der Bearbeitung nicht reißen, untersuchen die Aachener Ingenieure, wie der Umformprozess und das Erwärmungssystem auszulegen sind. Erste Zwischenergebnisse zur Prozessauslegung lieferte die Simulation der untersuchten Umformverfahren Rubberforming, Stamping und Hydroforming. Das neue Konzept zur Großserienherstellung, das das Fraunhofer IPT gemeinsam mit seinen Partnern erarbeitet, umfasst die gesamte Prozesskette von der Warmumformung über das Schweißen und Beschichten bis zur Montage.

Wasserstoff-Range-Extender

Zusätzlich zur Kostensenkung von Brennstoffzellen sieht das Projekt FlyGO zwei weitere Entwicklungen vor: Zum einen entwickeln die Projektpartner ein Konzept zur Integration eines Wasserstoff-Range-Extenders in ein batteriebetriebenes Elektroserienfahrzeug. Als Beispiel dient ihnen dazu ein Fahrzeug des Aachener Herstellers e.GO, das durch die Integration des Brennstoffzellensystems eine höhere Reichweite erhält. Zum anderen arbeiten die Partner an einer gasgekühlten Wasserstoff-Brennstoffzelle in Kombination mit einem Methanol-Elektrolyseur, die gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellensystemen mehr Leistung pro Masse aufweisen kann. Dies soll den Einsatz der Brennstoffzelle in Kurzstreckenflugzeugen und Drohnen ermöglichen.

Zusätzliche Informationen

Im Projekt FlyGo werden zusammenhängende Konzepte für die Serienanwendung in Pkw, die Steigerung der Leistungsdichten und die kostengünstige Herstellung entwickelt. Dazu wird u. a. ein neues Brennstoffzellenkonzept für hohe Leistungsdichten entwickelt, das auf Mikrofluidik und einem Methanol Elektrolyseur beruht. Darauf aufbauend werden Mobilitätskonzepte für umweltfreundliche, elektrifizierte Kurzstreckenflugzeuge oder Drohnen entwickelt, mit denen einerseits weitere Regionen an den Flugverkehr angeschlossen werden können und andererseits die Verkehrsbelastung auf Straßen abnimmt. Um die Grundlagen für eine wirtschaftliche Herstellung von Brennstoffzellen für beide Anwendungen zu schaffen, wird im Projekt FlyGo zusätzlich ein durchgängiges Konzept zur Großserienherstellung von Brennstoffzellen in NRW erarbeitet. Mit einem interdisziplinären Konsortium aus NRW werden über diese Inhalte die Voraussetzungen für wasserstoffbasierte Mobilität und Logistik geschaffen. Dadurch wird ein hoher Mehrwert für die umweltfreundliche Mobilität und Logistik, den Klimaschutz und den Wirtschaftsstandort NRW erwartet.

Projektpartner:
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik IPT
KCS Europe GmbH
PSL Technik GmbH
Zentrum für BrennstoffzellenTechnik ZBT GmbH
FlyGo wird durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen gefördert.
Laufzeit: 15.10.2018 – 14.10.2021
Projektträger: Jülich (PtJ) | Forschungszentrum Jülich GmbH