Hochlauf von Wasserstofftechnologien Referenzfabrik ebnet Weg für günstige Serienfertigung von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

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Die Referenzfabrik.H2 des Fraunhofer IWU zeigt, wie sich Elektrolyseure und Brennstoffzellen künftig deutlich günstiger und in großen Stückzahlen herstellen lassen. Neue Rolle-zu-Rolle-Verfahren, innovative Fügetechnologien und durchgängige Prüfinfrastrukturen sollen die Produktionskosten bis 2027 auf ein Fünftel senken.

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 dem Institut zufolge 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 % 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.

Hohe Produktionsraten und Wirtschaftlichkeit

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.

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.

Einzigartige Anlage für die Montage von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren

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.

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.

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.

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 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.

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