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.