Großserientaugliche Fertigungstechnologien für extrem dünnwandige und ressourceneffiziente Komponenten zur Produktion und Verstromung von Wasserstoff (H2) für die Energiebereitstellung

Projektbeschreibung

Teilvorhaben 1:
Umform- und Schweißtechnologie für energieeffizientes und ressourcenschonendes Fertigen metallischer Bipolarplatten

Der Erfolg der CO2-neutralen Wasserstoffwirtschaft hängt wesentlich von den Herstellkapazitäten und Kosten für Brennstoffzellen und Elektrolyseure ab. Metallische Bipolarplatten (BPP) verursachen 70-80 % der Herstellungskosten eines Brennstoffzellen-Stacks. Neben den Materialkosten (ca. 55 %) sind die Aufwände für die Fertigung, zusammen mit den Werkzeugherstellkosten, ein wesentlicher Faktor.
Projektziel und Lösungsweg
Die Entwicklung robuster, hochratefähiger, automatisierbarer und skalierbarer Fertigungstechnologien für metallische BPP ist Ziel dieses Projektes. Sie ist notwendig, um die Foliendicke der BPP von 100 µm auf max. 50 µm zu verringern und die Produktivität der Fertigung zu erhöhen.
Die Schwerpunkte der Forschung liegen auf der Formgebung, dem Fügen und der Prozessmodellierung. Das Umformen der dünnen Folien stellt eine sehr große Herausforderung dar, die durch zusätzliche Anforderungen aus der fügegerechten Gestaltung erhöht wird. Der Umformprozess soll durch schwingungsüberlagertes Prägen prozesssicher realisiert werden. Das Schweißen der 50 µm dünnen Halbschalen ist ebenso herausfordernd und soll durch das robuste Kondensatorentladungsschweißen innerhalb weniger Millisekunden erfolgen. Da so nur punktförmige elektrisch leitende Schweißverbindungen hergestellt werden können, wird das Thermische Direktfügen für das Abdichten der BPP in einem weiteren Teilprojekt erforscht. Im Vergleich zum bisher eingesetzten Laserschweißen ergeben sich wirtschaftliche (deutlich verringerte Fertigungszeiten bei viel geringeren Anlagenkosten) und technische Vorteile (weniger Wärmeeintrag und damit geringer Verzug und geringe Oberflächendegradation).
Nach erfolgreichem Projektabschluss stehen den mit BPP und ähnlichen Produkten befassten KMU kostengünstige, niederschwellig nutzbare Fertigungsoperationen, inklusive der Möglichkeit, die Produkte und Fertigungstechnologien bereits im frühen Produktentwicklungsprozess zu modellieren, zur Verfügung.

Teilvorhaben 2:
Thermisches Direktfügen als technologischer Baustein für das mediendichte Verbinden metallischer Bipolarplatten sowie artverwandter H2-Anwendungsbereiche

Das Leittechnologie-Projekt ResKo-H2 hat zum Ziel, einen neuartigen Ansatz zur ressourceneffizienten Herstellung von Komponenten für die Erzeugung und Verstromung von Wasserstoff (H2) im Rahmen der Energiewende zu liefern. Der Fokus des Verbundprojektes liegt auf fertigungstechnischen Innovationen, die eine signifikante Materialreduktion der aktiven Komponenten in Brennstoffzellen aber auch verwandten Anwendungen wie Elektrolyseuren ermöglichen. Hierzu werden die neuartigen Fügetechnologien des Kondensator-Entladungs-Schweißens sowie des thermischen Direktfügens mit extrem dünnwandigen metallischen Bipolarplatten (Dicke < 50 µm) kombiniert, um leichtere und energieeffizientere Brennstoffzellen herzustellen. Damit einher gehen eine Zunahme der Leistungsdichte um mehr als 30 % sowie wirtschaftliche Vorteile im Zuge verringerter Fertigungszeiten.
Der Beitrag von H2-Direkt zum Ziel von ResKo-H2 besteht darin, das thermische Direktfügen, als Technologiebaustein für das mediendichte Fügen von Bipolarplatten sowie für verwandte H2-Anwendungsbereiche zu etablieren und für KMU nutzbar zu machen. Die Forschungsschwerpunkte liegen auf den verwendeten Vorbehandlungsmethoden für das thermische Direktfügen, die für extrem dünne Materialstärken der Fügepartner von < 50 µm weiterentwickelt bzw. evaluiert werden müssen. Dabei ist insbesondere die Erwärmungsmethode, welche im Zentrum des thermischen Direktfügeprozesses steht, auf die Anwendung abzustimmen, damit neben den geringen Materialstärken gleichzeitig die teils sehr komplexen Bauteilgeometrien umsetzbar werden. Der Entwicklungsprozess wird von einer modellbasierten Abbildung der Fügeverbindung begleitet, die neben der konstruktiven Auslegung eine Übertragung auf verwandte Anwendungen, z. B. in Elektrolyseuren oder Batteriegehäusen, ermöglicht, und die Marktdurchdringung des thermische Direktfügens fördert.