Übergreifendes Forschungsprojekt: Großserientaugliche Fertigungstechnologien für extrem dünnwandige und ressourceneffiziente Komponenten zur Produktion und Verstromung von Wasserstoff für die Energiebereitstellung (ResKo-H2)
Um das Ziel der Treibhausgasneutralität zu erreichen und den Verpflichtungen des Pariser Klimaabkommens nachzukommen, strebt die Bundesregierung den Markthochlauf von H2-Technologien und den Aufbau entsprechender Wertschöpfungsketten an, die auf eine starke und nachhaltige inländische H2-Produktion und -Nutzung abzielen. Bis 2030 wird daher der Anstieg des H2-Bedarfs insbesondere im Industrie- und Verkehrssektor erwartet. Eine wesentliche Hürde für die reale Umsetzung des prognostizierten Wachstums stellen die derzeit hohen Kosten für Brennstoffzellen(BZ)-Stacks und die darin verbauten Komponenten dar. Darüber hinaus weisen die eingesetzten Produktionstechnologien einen zu geringen Automatisierungsgrad bzw. eine zu geringe Hochratenfähigkeit auf.
Ein wesentlicher Faktor für die Wirtschaftlichkeit der BZ-Produktion bilden die metallischen Bipolarplatten (BPP), die neben der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) eine Kernkomponente des BZ-Stacks darstellen. BPP bestehen typischerweise aus zwei Bipolarhalbplatten mit Wandstärken von ca. 75 bis 100 μm und tragen ca. 60 bis 85 % zum Gewicht bzw. ca. 55 % zu den Materialkosten des BZ-Stacks bei. Eine Reduzierung der Wandstärken deutlich unterhalb von 100 μm und damit auch der Kosten für Bipolarhalbplatten ist mit heutigen Herstellungsverfahren nur bedingt prozesssicher umsetzbar. Die Erzielung von Wandstärken ≤ 50 µm würde technologisch einen signifikanten Fortschritt bedeuten, da sich so bis zu 50 % Material einsparen lassen und gleichzeitig die Energiedichte von Brennstoffzellen um bis zu 30 % gesteigert werden kann.
Als Beitrag zur nationalen Wasserstoffstrategie und zur Mission »Wasserstoff 2030« des 8. Energieforschungsprogramms für eine ressourcenschonende greift das Forschungsvorhaben ResKo-H2 vor diesem Hintergrund mit seinen Teilprojekten UmKE und H2-Direkt die Themenstellung des mediendichten Fügens von extrem dünnwandigen Metallblechen für Materialdicken deutlich unter 100 μm auf.
Ziel der Forschungsarbeiten ist die Senkung der Kosten bzw. die Erhöhung der Leistungsdichten von H2-Komponenten.
In H2-Direkt sollen auf Basis der innovativen Technologie des Thermischen Direktfügens (HPCi®) KMU-gerechte Fertigungsverfahren für mediendichte Metall-Kunststoff-Verbindungen in Komponenten von H2-Anwendung entwickelt werden. Bei dieser Entwicklung werden neben der Zielwandstärke von ≤ 50 µm (Einzelmaterialdicke) weitere etablierte Anforderungen an die BZ-Produktion berücksichtigt. Diese umfassen z. B. kurze Taktzeiten in der Größenordnung von 10 s sowie Beständigkeit gegenüber anwendungsüblichen Betriebs- und Kühlmedien wie H2, H2O und O2.
Um eine ausreichende Marktdurchdringung der zu entwickelnden Fügetechnologien zu erreichen, sind neben der technischen Realisierung auch Ansätze zur Integration der Fügeprozesse in die Produktentwicklung von Unternehmen erforderlich. H2-Direkt adressiert diesen für eine breite industrielle Anwendung notwendigen Aspekt durch die Erstellung physikalischer Modelle von Metall-Kunststoff-Fügeverbindungen. Dies ermöglicht den Unternehmen, bereits frühzeitig im Entwicklungsprozess, Produkte anforderungs- und fertigungsgerecht zu gestalten und Fügestellen konstruktiv auszulegen. Die physikalische Modellierung eröffnet darüber hinaus die Möglichkeit, die im am Beispiel der BZ gewonnenen Ergebnisse des Projekts H2-Direkt auf andere H2-Anwendungen zu übertragen und mit den Ergebnissen des Partnerprojekts UmKE zu verknüpfen.
Die wirtschaftliche Bedeutung für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) der angestrebten Forschungsergebnisse liegt zunächst in der Ressourcen- bzw. Kosteneinsparung bei der Produktion von Komponenten für H2-Technologien durch Einsatz extrem dünnwandiger Komponenten. Insbesondere bei BZ führt die Reduktion der Wandstärken zu einer deutlichen Erhöhung der Leistungsdichte, da das Volumen des BZ-Stacks bei gleichbleibender Zellenanzahl um ca. 30 % abnimmt. Die zu entwickelnden Füge- bzw. Produktionstechniken stärken somit die Position der deutschen Industrie im politisch forcierten H2-Markthochlauf und leisten damit einen wichtigen Beitrag zur angestrebten Dekarbonisierung Deutschlands.
Darüber hinaus sollen im Rahmen des Forschungsvorhabens Möglichkeiten geschaffen werden, die technischen und wirtschaftlichen Eigenschaften von direktgefügten Metall-Kunststoff-Verbindungen bereits in der Produktentwicklung zu berücksichtigen. Der Nutzerkreis der angestrebten Forschungsergebnisse erstreckt sich entlang der gesamten Wertschöpfungskette von BZ und verwandten Technologien. Dies betrifft u. a. Halbzeughersteller von extrem dünnen Stahlblechen und Kunststofffolien, Anlagenhersteller für Fügetechnik, Hersteller von BPP sowie deren Kunden, die von der zu erwartenden Materialeinsparung bzw. Leistungsdichteerhöhung profitieren. Produzierende Unternehmen, die sich den Zukunftsmarkt der H2-Wirtschaft durch gezielte Investitionen erschließen wollen, erhalten Handlungsempfehlungen und digitale Modelle, für effizientere Entwicklungs- und Fertigungsprozesse.
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS