Produktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen: Die Referenzfabrik.H2 ist fertiggestellt
Die Preise müssen runter: Eine konsequente Reduzierung der CO₂-Emissionen
ist ohne verbesserte Verfügbarkeit von Elektrolyseuren und
Brennstoffzellen schwer vorstellbar. Noch werden diese zentralen
Wasserstoffsysteme in vergleichsweise geringen Stückzahlen produziert. Ein
Grund dafür sind die Herstellkosten. Die vom Fraunhofer IWU orchestrierte
Referenfabrik.H2 setzt genau dort an: Sie schafft die Voraussetzungen für
eine industrielle Massenproduktion und dafür geeignete Produktionssysteme.
Zum Abschluss der Wasserstoffprojekte H2GO (Brennstoffzellen insbesondere
für die Lastenmobilität) und FRHY (Elektrolyseurproduktion) sind nun alle
Bausteine der Referenzfabrik.H2 verfügbar.
Für die Industrie ergibt sich ein erhebliches Wertschöpfungspotenzial.
»Auf 20 in 27« lautet das Leistungsversprechen der Referenzfabrik.H2: Bis
2027 sollen die Kosten für die Herstellung von Elektrolyseuren und
Brennstoffzellen auf 20 Prozent der aktuellen Werte gedrückt werden
(Basis: 2024).
Physisch angesiedelt ist die Referenfabrik.H2 in der »Forschungsfabrik«
des Fraunhofer IWU. Als Wertschöpfungsgemeinschaft mehrerer Fraunhofer-
Institute und zahlreicher Partnerfirmen zeigt sie Referenzszenarien für
eine effiziente, skalierbare Produktion entlang der gesamten
Wertschöpfungskette auf. Prozesse und Anlagen sind auf das Rolle-zu-Rolle-
Prinzip ausgerichtet. Dabei wird typischerweise Material von einer Rolle
abgewickelt, bearbeitet und wieder aufgerollt. In Kombination mit der
kontinuierlichen Fertigung (ohne zwischenliegende Pausen) ermöglicht
dieses Verfahren eine effiziente Produktion in großen Mengen. Zur
Infrastruktur der Referenzfabrik.H2 zählt insbesondere auch ein Labor, in
dem die fertigungsgerechte Produktgestaltung (»Design for Production«) in
mehreren Testschleifen vor Serienstart überprüft werden kann.
Modernste Infrastruktur für hochautomatisierte Produktion:
Hohlprägewalzen, Elektronenstrahlschweißen, Dichten, Stacking
Hohe Produktionsraten und Wirtschaftlichkeit: BPPflexROLL und flexROLLmax
Für die Fertigung von Bipolarplatten, wesentliche Bauteile von
Elektrolyseuren und Brennstoffzellen, setzt die Referenzfabrik.H2
vorrangig auf das Hohlprägewalzen als kontinuierliches Verfahren.
Letztlich resultieren daraus deutlich geringere Herstellungskosten pro
Bauteil. Gegenüber klassischen Pressverfahren sinken die Prozesskräfte um
den Faktor 10, wodurch die benötigte Anlagentechnik kleiner, leichter und
kostengünstiger dimensioniert werden kann.
Elektronenstrahlschweißen: besonders präzise und effizient
Zum Fügen der wenige zehntel Millimeter dünnen metallischen Bipolarplatten
von der Größe eines DIN A4-Blatts sind Schweißnähte mit einer Gesamtlänge
von mehr als einem Meter auszuführen, sodass die Schweißgeschwindigkeit
maßgeblich für die Fertigungszeit ist. Beim Elektronenstrahlschweißen sind
Elektronen das Medium – mehrere elektromagnetische Linsen steuern die
negativ geladenen Teilchen, welche mit bis zu zwei Dritteln der
Lichtgeschwindigkeit auftreffen und die beiden Werkstücke miteinander
verschmelzen. Dieses Verfahren kommt ohne träge Lenkungsmechanik wie beim
Laserschweißen aus. Dank der Möglichkeit zur schnellen Ablenkung des
Strahls lassen sich mehrere Prozesszonen gleichzeitig bearbeiten, wo
bislang eine Fügestelle nach der anderen »abgearbeitet« werden muss.
Aus qualitativer Sicht spricht außerdem für diese Technik, dass sie unter
Vakuumbedingungen zum Einsatz kommt. Diese garantieren konstante
Bedingungen ohne störende Schwankungen von Luftdruck oder
Luftfeuchtigkeit. Je hochwertiger die Schweißverbindung der
Bipolarplatten, desto höher fällt der Wirkungsgrad des Systems aus. Sinkt
zugleich die Bearbeitungszeit, reduzieren sich die Fertigungskosten. Mehr
Qualität bei geringeren Kosten: So setzt das Elektronstrahlschweißen neue
Maßstäbe.
Dichten: nur 100% Dichtigkeit bedeutet hohen Wirkungsgrad
Um eine durchgängig wirtschaftliche Herstellung der Stack-Komponenten im
Rolle-zu-Rolle-Verfahren (R2R) zu ermöglichen, wurden außerdem neue,
kontinuierliche Produktionstechnologien für die Applikation der Dichtung
entwickelt.
Einzigartige Anlage für die Montage von Brennstoffzellen und
Elektrolyseuren
Beim Anlagendesign lag der Schwerpunkt auf der Entwicklung eines
neuartigen Stacking-Konzeptes, das eine hochratenfähige Montage der
Einzelkomponenten gestattet und ohne Parallelisierung bzw.
Kommissionierung auskommt. Die Chance einer substanziellen Verkürzung des
Stapel- und Montageprozesses ergibt sich aus der konsequenten Nutzung der
Rolle-zu-Rolle-Technologie für die Herstellung der Einzelkomponenten
(BPP/Bipolarplatten, PTL/Porous Transport Layer und CCM/Catalyst Coated
Membrane), die bis zum Stacking im Band vorliegen und erst im Prozess
separiert werden. Besonders innovativ ist die Verspannung der Komponenten
als automatisierter, reproduzierbarer und kostengünstiger Prozess.
Zertifiziertes Labor
Die Referenzfabrik.H2 kann Elektrolyseur- und Brennstoff-Einzelzellen
sowie -Systeme auf Herz und Nieren prüfen – um Leistung, Haltbarkeit,
Zuverlässigkeit und andere wichtige Eigenschaften unter verschiedenen
Betriebsbedingungen zu charakterisieren und zu bewerten. Die Prüfstände in
Chemnitz ermöglichen, das Materialkonzept zu validieren, bevor ein Produkt
in die Serienfertigung geht. Ein frühzeitig abgestimmtes Material- und
Produktionskonzept ist gerade mit Blick auf den zügigen Hochlauf der
Großserienfertigung von Wasserstoffsystemen unerlässlich.
Kreislaufwirtschaft Brennstoffzelle
Im nationalen Aktionsplan H2GO untersuchte der Verbund Stack to Piece,
welche Maschinen, Anlagen und Prozesse benötigt werden, um
Brennstoffzellensysteme nicht nur automatisiert montieren, sondern am Ende
ihres Produktlebens auch zerstörungsfrei in effizienten Prozessen wieder
demontieren zu können. Projektpartner sind die Fraunhofer-Institute IST,
IWU, IKTS und IFAM.
H2-Transfertage: 24. – 26. November in Chemnitz
Die H2-Transfertage bündeln die Abschlussveranstaltungen der Leitprojekte
H2GO und H2Giga/FRHY, die sich auf die industrielle Produktion von
Wasserstoffsystemen – Brennstoffzellen und Elektrolyseuren –
konzentrieren. Im Mittelpunkt stehen dabei nicht nur technologische
Innovationen, sondern insbesondere neuartige Produktionslösungen, die den
wirtschaftlichen Transfer und die industrielle Wertschöpfung fördern.
Durch die Einbindung regionaler Industriepartner und interdisziplinärer
Beiträge werden konkrete Ansätze für die Markteinführung und den Aufbau
nachhaltiger Wertschöpfungsketten präsentiert.
Auch nach Projektabschluss bleiben die Forschungsergebnisse für
interessierte Industrieunternehmen auf den Webseiten der Referenzfabrik.H2
abrufbar.
