Wasserstoff-Brennstoffzellen als Massenprodukt? Mit dieser Technik ist es möglich
Wasserstoff gilt als wichtige Zukunftstechnologie. Eine wichtige Hürde in der Praxis ist die Herstellung der Brennstoffzellen-Stacks. Sie muss günstig und schnell erfolgen. Fraunhofer-Forschende haben dafür jetzt ein Konzept entwickelt.
Wasserstoff-Lkw könnten die CO2-Emissionen auf den Straßen deutlich reduzieren.
Foto: panthermedia.net/aaw
Man nehme Wasser und verwandle es in eine Energieform, die sich emissionsfrei nutzen lässt – Wasserstoff wird immer wieder ins Spiel gebracht, wenn es darum geht, die Energiewende Wirklichkeit werden zu lassen. Allerdings ist die Technologie nicht neu und hat sich trotzdem noch nicht durchsetzen können. Denn zwei Hindernisse sind noch nicht beseitigt.
Zum einen werden für die Wasserstoff-Herstellung Elektrolyseure mit höherem Wirkungsgrad als bisher benötigt. Zum anderen gibt es bislang keine vollautomatisierten Anlagen für die Produktion von Brennstoffzellen-Stacks. Sie wandeln den Wasserstoff in elektrische Energie um. Da eine einzelne Brennstoffzelle nur eine geringe Kapazität hat, werden mehrere dieser Bipolarplatten zu Stapeln (=stacks) zusammengefügt. Ein Team vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA und vom Campus Schwarzwald hat jetzt die Grundlage für eine wirtschaftliche Serienproduktion dieser Brennstoffzellen-Stacks geschaffen. Im Rahmen des Projektes „H2FastCell“ soll bis zum Jahr 2023 eine Demonstrationsanlage gebaut werden.
In 13 Minuten soll ein Stapel aus 400 Brennstoffzellen entstehen
Stapel aus Brennstoffzellen werden wahrscheinlich in vielen Bereichen eine Rolle spielen. Ein gutes Beispiel ist der Güterverkehr. Denn Wasserstoff lässt sich in einem ähnlichen Tempo tanken wie herkömmliche Kraftstoffe. Sobald die technischen Probleme gelöst sind und es eine entsprechende Infrastruktur für Wasserstoff-Tankstellen gibt, könnte diese Energiequelle also für einen emissionsfreien Transport sorgen und wäre sicherlich attraktiver als reine Elektroautos, deren Akkus regelmäßig aufgeladen werden müssen.
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Die Herstellung der Brennstoffzellen-Stacks kann allerdings nur wirtschaftlich erfolgen, wenn ein hoher Grad an Automatisierung erreicht wird. Entsprechende Fertigungsanlagen gibt es derzeit nach Angaben der Fraunhofer-Experten noch nicht. Das wollen sie ändern. Das Team hat ein Konzept erarbeitet, nach dem es gerade mal 13 Minuten dauern würde, ein Stack herzustellen.
Beim Stapeln der Brennstoffzellen-Stacks ist Präzision gefragt
Das Kernelement einer Brennstoffzelle ist die Bipolarplatte. Für einen Brennstoffzellen-Stack werden mehrere dieser Platten aufeinandergestapelt, über die in der Anwendung Wasserstoff und Sauerstoff eingeleitet werden. Hinzu kommen Membran-Elektrodeneinheiten, in denen die beiden chemischen Elemente miteinander reagieren. Die Stapel sind nötig, um eine ausreichende Leistung bereitstellen zu können. Allerdings ist dieses System extrem empfindlich. Sind die Platten nicht exakt platziert – eine Abweichung im Mikrometerbereich reicht schon aus – kann die Leistung des Brennstoffzellensystems sinken. Wenn man bedenkt, dass beispielsweise für den Brennstoffzellenmotor eines Lkw etwa 400 Bipolarplatten gestapelt werden müssen, wird schnell klar, warum die Automatisierung in diesem Bereich eine Herkulesaufgabe ist.
Das ist die Idee der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler: Ein Montageroboter greift abwechselnd Bipolarplatten und Membran-Elektrodeneinheiten. Dabei scannt er die einzelnen Schichten, wenn er sie greift, und das aus gutem Grund. Der Roboter setzt nämlich parallel mehrere Stacks zusammen. Durch die Scandaten kann er also einschätzen, auf welchen halbfertigen Stack die jeweilige Schicht am besten passt. Das soll im Sekundentakt passieren. Ein Brennstoffzellen-Stack für den Lkw wäre mit seinen 400 Bipolarplatten also nach knapp 13 Minuten fertig.
Unternehmen dürfen Demonstrator-Anlage nutzen
„Wenn der Durchsatz der Stacks derart erhöht wird, ist damit die Grundlage für die industrielle Massenproduktion von Brennstoffzellen gelegt. Die Preise würden fallen“, sagt Friedrich-Wilhelm Speckmann vom Zentrum für digitalisierte Batteriezellenproduktion am Fraunhofer IPA.
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Bis Sommer 2023 soll eine erste Demonstrator-Stackinganlage für die automatisierte Brennstoffzellenmontage stehen. Diese Anlage wollen die Forschenden Unternehmen zur Verfügung stellen, die beispielsweise weitere Versuche und Machbarkeitsstudien planen. Beteiligt sind an dem Projekt neben dem Fraunhofer IPA und dem Campus Schwarzwald fünf Unternehmen aus Baden-Württemberg.
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