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Energie & Management > Wasserstoff - Neue Fertigungstechnik für günstigere Brennstoffzellen
Quelle: Shutterstock, Alexander Limbach
Wasserstoff

Neue Fertigungstechnik für günstigere Brennstoffzellen

Bipolarplatten sind ein zentrales Element von Brennstoffzellen. Wie sie sich kostengünstig in großen Stückzahlen herstellen lassen, wird im Projekt „AKS-Bipolar“ erforscht.
Bipolarplatten (BPP) stellen eine Schlüsselkomponente in modernen Brennstoffzellen dar und sind damit essenziel für den Ausbau der Elektromobilität im Personen- und Nutzkraftwagenverkehr. Forschende der Uni Stuttgart, des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik in Freiburg sowie der Firmen Thyssenkrupp System Engineering und Chemische Werke Kluthe suchen im Rahmen des Forschungsprojekts „AKS-Bipolar“ nach Wegen, um den Ausschuss bei der Produktion metallischer Bipolarplatten zu reduzieren sowie die Bereitstellung der für die Energiewende erforderlichen hohen Stückzahlen zu ermöglichen.

Eine Brennstoffzelle besteht aus zahlreichen stapelartig angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten (MEA), in denen die Umwandlung von chemischer zu elektrischer Energie stattfindet. Bipolarplatten (BPP) liegen zwischen diesen Einheiten und übernehmen die Funktion, die hierfür erforderlichen Reaktionsgase zu- und das entstehende Wasser abzuleiten sowie die einzelnen Zellen elektrisch zu verbinden. In modernen Brennstoffzellsystemen sind je nach Typ und Größe 300 bis 600 BPP verbaut.

Lange Zeit dominierten BPP aus Graphit den Markt, doch der Trend geht aus wirtschaftlichen Gründen und aufgrund der höheren Leitfähigkeit hin zu metallischen BPP. Um diese herzustellen, kommen Verfahren der Umformtechnik zum Einsatz, die im Vergleich zu spanenden Fertigungsverfahren wie zum Beispiel dem Fräsen geringere Kosten sowie deutlich schnellere Taktzeiten ermöglichen. Bei der Blechumformung können allerdings bereits leicht schwankende Prozessparameter zu Umformfehlern wie Falten oder Wölbungen führen, die die Montage der Zellenstapel erschweren.

Bisher lassen sich die meisten dieser Fehlerbilder der metallischen BPP nicht konsistent erkennen, weshalb die Qualitätsprüfung nachgelagert in kostenintensiven Stichprobentests erfolgt. Vor diesem Hintergrund wollen die Forschenden im Projekt AKS-Bipolar (Aktive Prozesskontrolle bei der Serienfertigung hochpräzise geprägter Bipolarplatten) ein Gesamtsystem zur aktiven Prozesskontrolle und Qualitätssicherung entwickeln, das eine vollflächige 3D-Messtechnik direkt in die Produktionslinie der Bauteile integriert und alle Prozessstufen in einer Gesamtsimulation (Toolchain) abbildet.

Dabei setzen die Projektpartner hochgenaue 3D-Daten ein, die durch die digital-holographische Sensortechnik des Fraunhofer IPM erstmals in hohem Umfang und in Echtzeit zur Verfügung stehen. Diese werden sehr schnell und akkurat mit Simulationsergebnissen verglichen, die am Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart zur Prozessauslegung verwendet werden. 

Auf dieser Datenbasis wird im Rahmen des Projektes unter anderem ein "Digitaler Zwilling" des Umformprozesses generiert, mit dem wiederkehrende Fertigungsprobleme erfasst und geeignete Gegenmaßnahmen zielgerichtet eingeleitet werden.

Mittwoch, 22.09.2021, 09:59 Uhr
Peter Koller
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Quelle: Shutterstock, Alexander Limbach
Wasserstoff
Neue Fertigungstechnik für günstigere Brennstoffzellen
Bipolarplatten sind ein zentrales Element von Brennstoffzellen. Wie sie sich kostengünstig in großen Stückzahlen herstellen lassen, wird im Projekt „AKS-Bipolar“ erforscht.
Bipolarplatten (BPP) stellen eine Schlüsselkomponente in modernen Brennstoffzellen dar und sind damit essenziel für den Ausbau der Elektromobilität im Personen- und Nutzkraftwagenverkehr. Forschende der Uni Stuttgart, des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik in Freiburg sowie der Firmen Thyssenkrupp System Engineering und Chemische Werke Kluthe suchen im Rahmen des Forschungsprojekts „AKS-Bipolar“ nach Wegen, um den Ausschuss bei der Produktion metallischer Bipolarplatten zu reduzieren sowie die Bereitstellung der für die Energiewende erforderlichen hohen Stückzahlen zu ermöglichen.

Eine Brennstoffzelle besteht aus zahlreichen stapelartig angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten (MEA), in denen die Umwandlung von chemischer zu elektrischer Energie stattfindet. Bipolarplatten (BPP) liegen zwischen diesen Einheiten und übernehmen die Funktion, die hierfür erforderlichen Reaktionsgase zu- und das entstehende Wasser abzuleiten sowie die einzelnen Zellen elektrisch zu verbinden. In modernen Brennstoffzellsystemen sind je nach Typ und Größe 300 bis 600 BPP verbaut.

Lange Zeit dominierten BPP aus Graphit den Markt, doch der Trend geht aus wirtschaftlichen Gründen und aufgrund der höheren Leitfähigkeit hin zu metallischen BPP. Um diese herzustellen, kommen Verfahren der Umformtechnik zum Einsatz, die im Vergleich zu spanenden Fertigungsverfahren wie zum Beispiel dem Fräsen geringere Kosten sowie deutlich schnellere Taktzeiten ermöglichen. Bei der Blechumformung können allerdings bereits leicht schwankende Prozessparameter zu Umformfehlern wie Falten oder Wölbungen führen, die die Montage der Zellenstapel erschweren.

Bisher lassen sich die meisten dieser Fehlerbilder der metallischen BPP nicht konsistent erkennen, weshalb die Qualitätsprüfung nachgelagert in kostenintensiven Stichprobentests erfolgt. Vor diesem Hintergrund wollen die Forschenden im Projekt AKS-Bipolar (Aktive Prozesskontrolle bei der Serienfertigung hochpräzise geprägter Bipolarplatten) ein Gesamtsystem zur aktiven Prozesskontrolle und Qualitätssicherung entwickeln, das eine vollflächige 3D-Messtechnik direkt in die Produktionslinie der Bauteile integriert und alle Prozessstufen in einer Gesamtsimulation (Toolchain) abbildet.

Dabei setzen die Projektpartner hochgenaue 3D-Daten ein, die durch die digital-holographische Sensortechnik des Fraunhofer IPM erstmals in hohem Umfang und in Echtzeit zur Verfügung stehen. Diese werden sehr schnell und akkurat mit Simulationsergebnissen verglichen, die am Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart zur Prozessauslegung verwendet werden. 

Auf dieser Datenbasis wird im Rahmen des Projektes unter anderem ein "Digitaler Zwilling" des Umformprozesses generiert, mit dem wiederkehrende Fertigungsprobleme erfasst und geeignete Gegenmaßnahmen zielgerichtet eingeleitet werden.

Mittwoch, 22.09.2021, 09:59 Uhr
Peter Koller

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