Effiziente Fertigungstechniken für Bipolarplatten: Fortschritte in der Brennstoffzellen-Produktion

Um die Herstellung von Wasserstoffantrieben für Fahrzeuge kosteneffizienter und qualitativ hochwertiger zu gestalten, entwickelt ein Verbund aus Fraunhofer-Instituten im Projekt H2GO neue Fertigungstechniken für Brennstoffzellen. Einige zentrale Innovationen kommen von den Fraunhofer-Instituten für Werkstoff- und Strahltechnik IWS und für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU: Ingenieure aus Dortmund, Dresden und Chemnitz entwickeln Modulbausteine für Produktionslinien von Bipolarplatten (BPP), die ein zentraler Bestandteil von Brennstoffzellen-Stacks sind.

Am Standort Dortmund hat das Fraunhofer IWS eine Pilotanlage in Betrieb genommen, die einen wesentlichen Schritt der Prozesskette, die Bipolarplattenbeschichtung, ermöglicht. Die Anlage arbeitet im Rolle-zu-Rolle-Betrieb (R2R) und verfügt über Vakuum-Beschichtungskammern. Nach vollständiger Implementierung soll die Anlage Bandmaterial mit Geschwindigkeiten von mehreren Metern pro Minute unter Verwendung lichtbogenbasierter Verfahren beschichten können. Zur Hannover Messe im März 2025 stellen die Ingenieure ihre Entwicklungen potenziellen Partnern aus der Industrie vor.

Schritt zur industriellen Skalierung

Mit solchen Innovationen wollen wir die Entwicklung nachhaltiger Antriebskonzepte für den Mobilitätssektor unterstützen, so Teilprojektleiter Dr. Teja Roch vom Fraunhofer IWS in Dortmund. Unsere Entwicklungen sind ein wichtiger Schritt hin zu einer wirtschaftlicheren und hochwertigen Produktion von Brennstoffzellen. Deutschland kann damit neue Wertschöpfungsketten mit einer Zukunftstechnologie aufbauen, die gerade für die Fahrzeugindustrie von großer Bedeutung ist. Umweltfreundlichere Antriebstechnologien sind für die Reduktion der Emissionen im Verkehrssektor essenziell. Laut Umweltbundesamt verantwortet dieser rund 146 Millionen Tonnen Treibhausgase (berechnet als CO₂-Äquivalente) und damit rund 22 Prozent der deutschen Treibhausgasemissionen. Um Deutschlands Klimaziele zu erreichen, muss der Umweltsektor seine Emissionen bis 2030 auf rund 84 Millionen Tonnen CO₂ senken.

Metallband von der Rolle in Vakuumkammern beschichtet

Die Fraunhofer-Institute IWU und IWS sowie weitere Partner entwickeln Modulbausteine von Fertigungslinien für eine schnelle und wirtschaftliche Fertigung von Bipolarplatten. Die Rolle-zu-Rolle-Anlage ist zusätzlich modular aufgebaut, sodass Unternehmen die für ihre Anforderungen passenden Komponenten auswählen und kombinieren können. Dieses flexible Prinzip sollen zukünftig virtuelle Zwillinge unterstützen – digitale Funktionsmodelle, die die Entwicklung einzelner Module an verschiedenen Standorten erleichtern und deren Integration in eine Gesamtanlage ermöglichen.

Entwicklungsziel sind mehrere aufeinander abgestimmte Verfahrensschritte. Eine mögliche Verfahrenskombination könnte zunächst in einer Beschichtungsanlage bestehen, die eine etwa 100 Mikrometer dünne Metallband von einer Rolle abzieht und in Abhängigkeit vom Bedarf reinigt. Danach könnte die Folie durch speziell entwickelte Schleusen in Vakuumkammern gelangen. Dort würden Vakuumverdampfer (physical vapor deposition, PVD) zuerst eine Korrosionsschutz- und danach eine 100 Nanometer dünne Graphitschicht abscheiden. Im Anschluss kann das beschichtete Metallband auf eine vom Fraunhofer IWU entwickelte Umformanlage übergeben werden. Eine Rollenwalze würde beispielsweise jene Strukturen erzeugen, die später die Gasströme im Brennstoffzellen-Stack kanalisieren. Danach würden in Dresden entwickelte Laserspalt-Schweißmodule zwei Halbplatten zu Bipolarplatten fügen, die Hochgeschwindigkeits-Laser schließlich in einzelne BBPs trennen.

Dieser Gesamtprozess setzt international neue Maßstäbe in der Fertigung von Bipolarplatten. Er ersetzt die bisher vorherrschende Batch-Fertigung einzelner Platten durch den durchgehenden Rolle-zu-Rolle-Betrieb. Neu ist die besonders effiziente und ressourcenschonende Beschichtungstechnologie. Weitere Fortschritte stecken in den Laserspaltschweißverfahren, den Hochgeschwindigkeits-Laser-Trennprozessen und den innovativen Umformmethoden.

Ein Team um den Fraunhofer-Ingenieur Maurizio Giorgio erprobt wesentliche Teile dieser Prozesskette bereits an einer 14 Meter langen Pilotanlage am Fraunhofer-IWS-Standort Dortmund. Zur Hannover Messe 2025 präsentiert das Institut vom 31. März bis zum 4. April in Halle 13, Stand C41/1, ein 1,60 mal einen Meter großes Modell dieser Fertigungslinie. Die Ingenieure stellen die zugrundeliegenden Innovationen vor und informieren interessierte mögliche Anwender aus der Wirtschaft über die Einsatzszenarien. Bis zum Projektabschluss wollen die Projektpartner die Anlage dann noch weiter verbessern, die Leistung erhöhen, die einzelnen Module im virtuellen Zwilling verknüpfen und den Transfer in die industrielle Praxis vorbereiten.

https://www.iws.fraunhofer.de