Nachhaltiger Schwertransport mit großformatigen Hybrid-Compound Bipolarplatten

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Im Forschungsprojekt HyCoFC arbeiten Industrie- und Forschungspartner
zusammen, um Bipolarplatten für langlebige, kostengünstige und
leistungsstarke Brennstoffzellen speziell für Schwerlastanwendungen zu
entwickeln.

Um den hohen Anforderungen und anspruchsvollen Bedingungen im
Schwertransport gerecht zu werden, setzt das Projekt auf innovative
Materialkombinationen und neueste Lasertechnologien. So adressiert HyCoFC
nicht nur die Nachhaltigkeit in der Logistik, sondern stärkt auch den
Wirtschaftsstandort Deutschland und schafft zukunftsweisende Lösungen für
die Energiewende.

Der Schwertransport, insbesondere der Verkehr mit Lastkraftwagen, trägt
wesentlich zu den globalen CO₂-Emissionen bei. In Europa entfallen etwa 30
Prozent der Emissionen im Mobilitätssektor auf den Straßengütertransport.
Bisher dominieren hier fossile Brennstoffe, da batterieelektrische
Lösungen aufgrund der benötigten Akkumulatoren ein enormes Zusatzgewicht
mitführen, wodurch die potenzielle Nutzlast beeinträchtigt wird. Zudem
stellen die damit verbundenen Anforderungen an Ladeströme und die
Ladezeiten bedeutenden Einschränkungen für den Einsatz in
Schwertransportanwendungen dar. Brennstoffzellen bieten eine
vielversprechende Alternative, da sie eine hohe Energiedichte mit einer
schnellen Betankung kombinieren.

Brennstoffzellen für den Schwertransport müssen besonders robust und
langlebig sein, da sie unter anspruchsvollen Bedingungen eingesetzt
werden. Temperatur-schwankungen, mechanische Belastungen und korrosive
Umgebungen stellen hohe Anforderungen an die Materialien und die
Verarbeitung der einzelnen Komponenten. Hier setzt das HyCoFC-Projekt an:
Die Kombination einer metallischen Trägerfolie mit einer leitfähigen
Compound-Folie vereint die Vorteile beider Materialien. Die großformatigen
Hybrid-Compound Bipolarplatten bieten eine gute elektrische Leitfähigkeit,
mechanische Stabilität und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit –
Eigenschaften, die für den Schwertransport entscheidend sind. Diese
Platten sollen Lebensdauer von Brennstoffzellen verbessern und
gleichzeitig die Produktionskosten senken.

Darüber hinaus erlaubt die modulare Struktur der Brennstoffzellenstacks
eine Skalierung für unterschiedliche Anwendungsbereiche, von
Nutzfahrzeugen bis hin zu Schiffen und sogar stationären Anwendungen.
»Diese Vielseitigkeit macht die Technologie zu einer idealen Komponente
für die Energiewende im Mobilitätssektor«, erläutert Friederike Brackmann
von der Abteilung Fügen und Trennen am Fraunhofer-Institut für
Lasertechnik ILT.

Wissenschaft und Industrie: Gemeinsam forschen

Das Projekt HyCoFC wird im Rahmen des Innovationswettbewerbs
»Energie.IN.NRW« gefördert, der Teil der europäischen Regionalförderung
ist. Die Gesamtlaufzeit des Projekts erstreckt sich vom 15. Juni 2024 bis
zum 14. Juni 2027. Mit einem Gesamtfördervolumen von rund 3 Millionen Euro
wird das Projekt von einer starken finanziellen Basis getragen, die es den
Partnern aus Wissenschaft und Industrie ermöglicht, umfangreiche
Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchzuführen. Neben dem Fraunhofer
ILT ist auf wissenschaftlicher Seite das Fraunhofer UMSICHT beteiligt. Die
Industrieunternehmen sind Projektkoordinator thyssenkrupp Steel sowie FEV,
Schepers und Cleanlaser.

Die metallische Trägerfolie stellt thyssenkrupp Steel mit einer
Chromschicht her, um die Korrosionsbeständigkeit und die
Verbindungseigenschaften zur Compound-Folie zu verbessern. Fraunhofer
UMSICHT steuert gezielt die elektrische und thermische Leitfähigkeit der
Compound-Folie durch die Auswahl spezifischer Materialien und die
Feinabstimmung ihrer Zusammensetzung. Das Fraunhofer ILT widmet sich im
Rahmen des Projekts der Weiterentwicklung laserbasierter Technologien für
die Herstellung und Funktionalisierung der Hybrid-Compound Bipolarplatten.
Wobei sich Friederike Brackmann vor allem um die fügetechnischen
Herausforderungen kümmert und ihr Kollege Tobias Erdmann aus der Abteilung
Oberflächentechnik und Formabtrag des Fraunhofer ILT um die selektive
Entschichtung der Compound Elemente mittels Laserstrahlung und der finalen
elektrochemischen Charakterisierung des Hybrid-Stacks. Mit
unterschiedlichen Lasertechniken bringen sie Mikrostrukturen in die
Bauteile ein, um die Verbindung zwischen der metallischen und der
polymerbasierten Komponente zu verbessern. Darüber hinaus entwickeln sie
Prozesse zum Abtragen von Materialschichten, was die elektrische
Leitfähigkeit der Bipolarplatten maximiert.

Im hauseigenen Hydrogen Lab des Fraunhofer ILT finden die Forschenden eine
umfassend ausgestattete Infrastruktur, die speziell auf die praxisnahe
Entwicklung und Optimierung von Wasserstofftechnologien ausgerichtet ist.
Auf einer Fläche von 300 m² sind modernste lasertechnische Versuchsanlagen
und Prüfstände eingerichtet, die es ermöglichen, sowohl einzelne
Fertigungsschritte als auch komplette Prozessketten sowie konkrete
industrielle Anwendungen unter realistischen Bedingungen zu testen und
weiterzuentwickeln.

Brackmann testet hier beispielsweise, wie sich die Bipolarplatten mit
Laserstrahlschweißen wasserstoffdicht und reproduzierbar verbinden lassen.
Erdmann untersucht, wie der Übergangswiderstand zwischen Bipolarplatte und
Gastransportschicht optimiert werden kann. »Wir legen das leitfähige
Grafitfüllmaterial im Kontaktbereich zur Gastransportschicht frei«,
erklärt der Forscher. »Anders als mechanische Schleifverfahren kann
ultrakurz gepulste Laserstrahlung den Kunststoff selektiv entfernen, ohne
das Füllmaterial zu beschädigen.«

Zukunftsperspektiven für nachhaltigen Transport

Durch die Kombination innovativer Materialien und Produktionsmethoden
werden nicht nur die Anforderungen des Schwertransports erfüllt, sondern
auch neue Maßstäbe in der Brennstoffzellentechnologie gesetzt. Die
entwickelten Hybrid-Compound Bipolarplatten bieten das Potenzial, die
Lebensdauer von Brennstoffzellen erheblich zu steigern und deren
Einsatzmöglichkeiten zu erweitern. Von Schwerlastfahrzeugen über maritime
Anwendungen bis hin zu stationären Systemen eröffnet das Projekt
vielfältige Perspektiven für eine klimafreundliche Energieversorgung.

»Das Fraunhofer ILT nimmt eine zentrale Rolle in der Entwicklung von
Hybrid-Compound-Brennstoffzellen ein, indem es wegweisende
Laserfertigungstechnologien bereitstellt, die sowohl die Effizienz als
auch die Langlebigkeit dieser innovativen Energiesysteme signifikant
verbessern«, erklärt Friederike Brackmann.

Die enge Zusammenarbeit zwischen den Projektpartnern und die Unterstützung
durch Förderprogramme schaffen die Grundlage für eine erfolgreiche
Implementierung der Ergebnisse in die Praxis. »Ein besonderer Fokus bei
HyCoFC liegt auf der Entwicklung von Verfahren, die eine wirtschaftlich
skalierbare und kosteneffiziente Produktion in großen Mengen ermöglichen«,
sagt Tobias Erdmann. »Hierbei setzten wir auf das Rolle-zu-Rolle-
Verfahren, das eine kontinuierliche und qualitativ hochwertig Verarbeitung
der Materialien gewährleistet. Das wollen wir als nächstes umsetzen und
testen.«

HyCoFC Project partner

Fraunhofer ILT
Das Forschungsinstitut für Lasertechnologie bringt sein Know-how in der
Oberflächenfunktionalisierung und -bearbeitung ein sowie präzises
Laserschweißen und Laserschneiden. Dies umfassten die laserbasierte
Strukturierung und die Optimierung der Verbindungen zwischen metallischen
und polymerbasierten Materialien.

Fraunhofer UMSICHT
Das Institut entwickelt die leitfähige Compound-Folie. Das Fraunhofer
UMSICHT trägt entscheidend zur Materialforschung und -optimierung bei.

thyssenkrupp Steel
Der Projektkoordinator produziert die metallische Trägerfolie, die durch
eine spezielle Oberflächenbeschichtung die Verbindung zur Compound-Folie
verbessert und gleichzeitig eine hohe mechanische Festigkeit bietet.

FEV
Das Engineering-Unternehmen unterstützt die Integration und Erprobung der
Brennstoffzellenstacks in verschiedenen Anwendungen.

Schepers
Spezialisiert auf Prägetechnologie, entwickelt und liefert das Unternehmen
hochpräzise Werkzeuge für die Herstellung der Bipolarplatten.

Cleanlaser
Das Spin-off des Fraunhofer ILT bringt seine Expertise in der
laserbasierten Oberflächenreinigung und -vorbereitung ein, um optimale
Bedingungen für die Verbindung der Materialien zu schaffen.

Hydrogen Lab des Fraunhofer ILT

Das Hydrogen Lab am Fraunhofer ILT bietet ideale Bedingungen für die
Forschung und Entwicklung rund um die Wasserstofftechnologie. Auf einer
Fläche von 300 Quadratmetern stehen hochmoderne Versuchsanlagen zur
Verfügung, die alle laserbezogenen Fertigungsschritte zur Herstellung von
metallischen Bipolarplatten abbilden. Dazu gehören unter anderem:
•       Strukturierung mit Ultrakurzpulslasern
•       Laserbasierte Beschichtung
•       Hochgeschwindigkeitsschweißen und -schneiden

Ein besonderer Fokus liegt auf der Evaluation der gefertigten Komponenten
hinsichtlich ihrer Wasserstoffdichtheit und Effizienz. Die umfassende
technische Ausstattung des Labors ermöglicht es, einzelne Prozesse zu
optimieren und komplette Prozessketten unter realen Bedingungen zu
untersuchen.

Das Hydrogen Lab dient sowohl öffentlichen Projekten als auch
Industriekooperationen als Plattform für interdisziplinäre Zusammenarbeit.
Es schafft einen Raum, in dem Synergieeffekte auf höchstem
wissenschaftlichem und technologischem Niveau erzielt werden. Die
Fraunhofer Laser-Experten beschleunigen damit die kostenoptimierte
Serienproduktion von Brennstoffzellen und deren Rollout in Industrie und
Gesellschaft.