Neuartige Bipolarplatte aus dünner Metallfolie einer Brennstoffzelle

Am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU entwickeln Forscher fortschrittliche Technologien zur Herstellung von Brennstoffzellenmotoren, um eine schnelle und kostengünstige Massenproduktion zu ermöglichen. Zu diesem Zweck konzentrierten sich die IWU-Forscher zunächst direkt auf das Herzstück dieser Motoren und erforschten Methoden zur Herstellung von Bipolarplatten aus dünnen Metallfolien. Auf der Hannover Messe stellt das Fraunhofer IWU diese und weitere vielversprechende Forschungsaktivitäten im Bereich Brennstoffzellenmotoren mit Silberhummel Racing vor.
Wenn es um den Antrieb von Elektromotoren geht, sind Brennstoffzellen eine ideale Ergänzung zu Batterien, um die Reichweite zu erhöhen. Allerdings ist die Herstellung von Brennstoffzellen immer noch ein kostspieliger Prozess, sodass es auf dem deutschen Markt noch sehr wenige Modelle mit dieser Antriebstechnologie gibt. Jetzt arbeiten Forscher des Fraunhofer IWU an einer kostengünstigeren Lösung: „Wir untersuchen mit einem ganzheitlichen Ansatz alle Komponenten eines Brennstoffzellenmotors.“ Zunächst muss Wasserstoff bereitgestellt werden, was Auswirkungen auf die Materialauswahl hat. Es ist direkt an der Stromerzeugung der Brennstoffzelle beteiligt und erstreckt sich auf die Brennstoffzelle selbst und die Temperaturregulierung des gesamten Fahrzeugs.“ Chemnitzer Fraunhofer IWU-Projektleiter Sören Scheffler erklärt.
Im ersten Schritt konzentrierten sich die Forscher auf das Herzstück eines jeden Brennstoffzellenmotors: den „Brennstoffzellenstack“. Hier wird in vielen Stapelbatterien aus Bipolarplatten und Elektrolytmembranen Energie erzeugt.
Scheffler sagte: „Wir untersuchen, wie wir herkömmliche Bipolarplatten aus Graphit durch dünne Metallfolien ersetzen können. Damit lassen sich Stacks schnell und wirtschaftlich in Massenproduktion herstellen und die Produktivität deutlich steigern.“ Auch die Qualitätssicherung liegt den Forschern am Herzen. Überprüfen Sie jede Komponente im Stapel direkt während des Herstellungsprozesses. Dadurch soll sichergestellt werden, dass nur vollständig geprüfte Teile in den Stapel gelangen.
Gleichzeitig will das Fraunhofer IWU die Anpassungsfähigkeit des Schornsteins an die Umgebung und Fahrbedingungen verbessern. Scheffler erklärte: „Unsere Hypothese ist, dass mithilfe von KI durch die dynamische Anpassung von Umgebungsvariablen Wasserstoff eingespart werden kann. Ob der Motor bei hohen oder niedrigen Temperaturen verwendet wird, ob er auf der Ebene oder in einer Umgebung mit hohen Temperaturen verwendet wird, es wird unterschiedlich sein. Derzeit arbeitet der Stack innerhalb eines vorgegebenen festen Betriebsbereichs, der eine solche umgebungsabhängige Optimierung nicht zulässt.“
Experten des Fraunhofer-Labors stellen ihre Forschungsmethoden auf der Silberhummel-Ausstellung auf der Hannover Messe vom 20. bis 24. April 2020 vor. Silberhummel basiert auf einem Rennwagen, den Auto Union in den 1940er-Jahren entworfen hat. Die Entwickler des Fraunhofer IWU haben nun mithilfe neuer Fertigungsmethoden das Fahrzeug nachgebaut und moderne Technologiedemonstratoren erstellt. Ihr Ziel ist es, Silberhummel mit einem Elektromotor auszustatten, der auf fortschrittlicher Brennstoffzellentechnologie basiert. Auf der Hannover Messe wurde diese Technologie digital projiziert.
Auch die Silberhummel-Karosserie selbst ist ein Beispiel für innovative Fertigungslösungen und Formverfahren, die das Fraunhofer IWU weiterentwickelt hat. Der Fokus liegt hier jedoch auf der kostengünstigen Fertigung in kleinen Stückzahlen. Die Karosserieteile von Silberhummel werden nicht durch große Stanzmaschinen geformt, die komplexe Arbeitsschritte mit Gussstahlwerkzeugen erfordern. Stattdessen wird eine Matrize aus leicht zu verarbeitendem Holz verwendet. Eine dafür konzipierte Werkzeugmaschine drückt das Karosserieblech mit einem speziellen Dorn nach und nach auf die Holzform. Experten nennen diese Methode „Inkrementelles Shaping“. „Im Vergleich zur herkömmlichen Methode, egal ob es sich um den Kotflügel, die Motorhaube oder die Seite der Straßenbahn handelt, können mit dieser Methode die benötigten Teile schneller hergestellt werden. Beispielsweise kann die herkömmliche Herstellung von Werkzeugen zur Herstellung von Karosserieteilen mehrere Monate dauern. Von der Herstellung der Holzform bis zur Prüfung der fertigen Platte benötigen wir weniger als eine Woche“, sagte Scheffler.