Brennstoffzellen: Massenproduktion nun möglich

Ein Forschung­steam vom Fraun­hofer IPA und vom Cam­pus Schwarzwald entwick­elt im Forschung­spro­jekt »H2FastCell« gemein­sam mit einem Indus­triekon­sor­tium eine Robot­erzelle für die automa­tisierte Hochgeschwindigkeitsmon­tage von Brennstof­fzel­len­stacks. Damit leg­en sie die Grund­lage für die indus­trielle Massen­pro­duk­tion dieser emis­sions­freien Tech­nolo­gie. Wasser­stoff wird als Energi­eträger eine wichtige Rolle spie­len. Er kann aus erneuer­baren Energien in Elek­trol­y­seuren CO2-neu­tral hergestellt und dann in Brennstof­fzellen in elek­trische Energie umge­wan­delt wer­den. Ger­ade im Güter­verkehr kön­nen Brennstof­fzellen ihre Vorteile gegenüber bat­terieelek­trischen Fahrzeu­gen ausspie­len. Aber auch im sta­tionären Bere­ich gibt es viele zukün­ftige Ein­satzge­bi­ete für Brennstof­fzellen. Bei der Her­stel­lung von Brennstof­fzellen sind effiziente Tak­tzeit­en und absolute Präzi­sion maßgeblich.
Das große Ziel ist es, die Fer­ti­gungskosten zu reduzieren, um den Ein­satz dieser Tech­nolo­gie wirtschaftlich­er zu machen. Das kann allerd­ings nur durch Skalierungsef­fek­te erre­icht wer­den, die vol­lau­toma­tisierte Anla­gen mit entsprechend hohen Kapaz­itäten erfordern. Momen­tan ist diese Art von Pro­duk­tion­san­la­gen auf dem Markt noch nicht ver­füg­bar und auch das Design der Bauteile muss hin­sichtlich ein­er automa­tisierungs­gerecht­en Kon­struk­tion weit­er­hin opti­miert werden.
Deshalb ist es sin­nvoll, bere­its jet­zt nach Wegen zu suchen, wie sie automa­tisiert und massen­tauglich hergestellt wer­den kön­nen. Genau das hat sich ein Forschung­steam vom Fraun­hofer-Insti­tut für Pro­duk­tion­stech­nik und Automa­tisierung IPA sowie vom Cen­trum für Dig­i­tal­isierung, Führung und Nach­haltigkeit Schwarzwald (Cam­pus Schwarzwald) im Pro­jekt »H2FastCell« vorgenom­men. Gemein­sam mit Teams aus fünf Unternehmen wollen die Wis­senschaft­lerin­nen und Wis­senschaftler bis 2023 eine Robot­erzelle entwick­eln, die die einzel­nen Schicht­en ein­er Brennstof­fzelle in Sekun­den­schnelle und mit absoluter Präzi­sion montiert.

13 Minuten bis zum fertigen Stack

Ein Brennstof­fzel­len­stack beste­ht aus aufeinan­dergestapel­ten Lagen von Bipo­larplat­ten, über die Wasser­stoff und Sauer­stoff ein­geleit­et wer­den, und Mem­bran-Elek­tro­denein­heit­en, in denen die bei­den chemis­chen Ele­mente miteinan­der reagieren. Weil bei dieser Reak­tion nur eine Span­nung von max­i­mal einem Volt entste­ht, müssen für einen Brennstof­fzel­len­mo­tor, der beispiel­sweise einen Last­wa­gen antreiben soll, unge­fähr 400 Brennstof­fzellen aufeinan­dergestapelt wer­den. Dabei ist Präzi­sion gefragt. Denn jede Abwe­ichung – und sei es im Mikrom­e­ter­bere­ich – kann die Leis­tung des Brennstof­fzel­len­sys­tems mindern.
Der Mon­tager­o­bot­er, der im Forschung­spro­jekt H2FastCell das Stack­ing, also das Aufeinan­der­stapeln von Bipo­larplat­ten und Mem­bran-Elek­tro­denein­heit­en im Wech­sel, übernehmen soll, wird daher die einzel­nen Schicht­en scan­nen, während er sie greift. Da er mehrere Stacks par­al­lel stapelt, kann er eine Schicht spon­tan dem Stack zuord­nen, auf den die Abmes­sun­gen am besten passen. Leis­tungs­min­derun­gen wer­den dadurch ver­mieden bevor sie entste­hen. Das alles soll so schnell geschehen, dass es für Men­schen schw­er sein wird, die einzel­nen Mon­tageschritte mit bloßem Auge mitzu­ver­fol­gen: eine Sekunde pro Schicht. Ein Stack, der aus 400 einzel­nen Brennstof­fzellen zusam­menge­set­zt ist, wäre also schon nach etwa 13 Minuten fer­tig gestapelt. Manuell würde ein Vielfach­es der Zeit benötigt werden.

Preise für Brennstoffzellen könnten fallen

»Wenn der Durch­satz der Stacks der­art erhöht wird, ist damit die Grund­lage für die indus­trielle Massen­pro­duk­tion von Brennstof­fzellen gelegt. Die Preise wür­den fall­en und der Ein­satz von Brennstof­fzellen in mobilen Schw­er­las­tan­wen­dun­gen wäre endgültig wet­tbe­werb­s­fähig«, sagt Friedrich-Wil­helm Speck­mann vom Zen­trum für dig­i­tal­isierte Bat­teriezel­len­pro­duk­tion am Fraun­hofer IPA. Er und Erwin Groß von der Abteilung Unternehmensstrate­gie und ‑entwick­lung am Fraun­hofer IPA leit­en das Forschung­spro­jekt H2FastCell.

Demonstrator-Stackinganlage am Campus Schwarzwald

Bis Som­mer 2023 will das Forschung­steam am Cam­pus Schwarzwald in Freuden­stadt eine Demon­stra­tor-Stackingan­lage für die automa­tisierte Brennstof­fzel­len­mon­tage aufge­baut haben. Diese Anlage wird Unternehmen für weit­ere Ver­suche, Mach­barkeitsstu­di­en und Vali­dierun­gen zur Ver­fü­gung stehen.

»Wir leg­en mit diesem ersten Pro­jekt den Grund­stein für unser zukün­ftiges Forschungszen­trum für bioin­tel­li­gente Wasser­stoff-Kreis­laufwirtschaft im Schwarzwald. Damit wollen wir die Wasser­stofftech­nolo­gie gemein­sam mit Unternehmen in Baden-Würt­tem­berg für die mobile und sta­tionäre Nutzung als Energi­eträger nutzbar machen.«
—  Ste­fan Bogen­rieder, Geschäfts­führer des Cam­pus Schwarzwald

Das Forschung­spro­jekt H2FastCell ist am 26. Juli 2021 ange­laufen und auf zwei Jahre angelegt. Beteiligt sind neben dem Fraun­hofer IPA und dem Cam­pus Schwarzwald fünf Unternehmen aus Baden-Würt­tem­berg: der Soft­wa­reen­twick­ler ISG Indus­trielle Steuerung­stech­nik GmbH aus Stuttgart, der Vaku­umtech­nikher­steller J. Schmalz GmbH aus Glat­ten im Nord­schwarzwald, der Sen­sor­pro­duzent i‑mation GmbH aus Rot­tweil, der Maschi­nen- und Anla­gen­bauer teamtech­nik Maschi­nen und Anla­gen GmbH aus Freiberg am Neckar und der Automa­tisierung­stech­niker WEISS GmbH aus Buchen im Oden­wald. Das Min­is­teri­um für Wirtschaft, Arbeit und Touris­mus Baden-Würt­tem­berg fördert H2FastCell mit rund 2,3 Mil­lio­nen Euro.