Wasserstofftechnologie

Wasserstofftechnologien nehmen eine Schlüsselposition ein, wenn es um die Energiewende und das Erreichen vereinbarter Klimaziele geht. Als Alternative zu fossilen Energieträgern kann grüner Wasserstoff (H2) den Ausstoß von Kohlenstoffdioxid (CO2) deutlich reduzieren und die notwendige Transformation der Wirtschaftssektoren in Richtung einer klimafreundlichen Wertschöpfung beschleunigen. In seiner Funktion als Energieträger wird Wasserstoff insbesondere für die Energiewirtschaft und für moderne Mobilitätslösungen einen entscheidenden Beitrag leisten. So kann Wasserstoff aufgrund seines breiten Anwendungsspektrums als alternativer Ansatz zur Batterietechnik etwa bei Pkw, Lkw, Flug- und Schienenfahrzeugen sowie Schiffen dienen.


Hochskalierbare Produktionstechnologien

Um die künftig zu erwartende hohe Nachfrage an leistungsfähigen Elektrolyseuren und Brennstoffzellen bedienen zu können, gilt es, hochskalierbare Produktionstechnologien für eine automatisierte Massenfertigung zu entwickeln und in die flächendeckende Anwendung zu überführen. Mit ihren umfassenden Kompetenzen in der Oberflächen-, Werkstoff- und Lasertechnik tragen die Wissenschaftler des Fraunhofer IWS dazu bei, die bestehenden Potenziale für die Wirtschaft in Vorbereitung auf das bevorstehende Wasserstoffzeitalter zu erschließen.


Forschungsschwerpunkte

Das Fraunhofer IWS entwickelt nachhaltige Werkstoff- und Fertigungskonzepte für Elektrolyseure und Brennstoffzellen, die für eine wirtschaftlich und ökologisch effiziente Nutzung von Wasserstoff unabdingbar sind. Ein weiterer Schwerpunkt sind Lösungen für die sichere und flexible Speicherung sowie den Transport von Wasserstoff – und damit die Gewährleistung modernster Energiekreisläufe.


Elektrolyse

  • Wasserelektrolyse: Additive Fertigung gradierter poröser Transportschichten (englisch: Porous Transport Layer, PTL) aus Titan 
    Additive Fertigung

  • Additive Fertigung von Bipolarplatten-Prototypen für Flow-Field-Analysen zur Ermittlung von Strömungsgeschwindigkeiten
    Additive Fertigung

  • Thermische Beschichtung: Entwicklung von Katalysator-Oberflächen für Protonenaustausch-membranen (englisch: Proton Exchange Membrane, PEM), Methanolsynthese und künstliche Photokatalyse 
    Thermisches Spritzen

  • Analyse von elektrochemischen Eigenschaften und Grenzflächenproblemen mittels elektrochemischer Methoden
    Elektrochemie

  • Gasreinigung: Messung von Porositätskennwerten und Reinigung von Prozessgasen
    Gas- und Partikelfiltration


H2-Infrastruktur: Speicherung, Transport und Verteilung

  • Herstellung von Wasserstoffdrucktanks sowie kryogene Anwendungen und Komponenten für E-Fuel-Motoren
    Fügen


Brennstoffzellen

Projekte

Das breite Spektrum an Forschungs- und Entwicklungsangeboten des Fraunhofer IWS richtet sich sowohl an kleine und mittelständische Unternehmen als auch an große Industriebetriebe. Nachfolgend finden Sie eine Auswahl an Projekten, die das Fraunhofer IWS gemeinsam mit Partnern umsetzt.

miniBIP I und II – GLC-Beschichtung metallischer Bipolarplatten

Die 50 bis 100 Mikrometer dünnen Stahlbleche der Bipolarplatte sind mit einer nur wenige Nanometer dünnen Kohlenstoffschicht beschichtet.
© Fraunhofer IWS Dresden
Die 50 bis 100 Mikrometer dünnen Stahlbleche der Bipolarplatte sind mit einer nur wenige Nanometer dünnen Kohlenstoffschicht beschichtet.

Gemeinsam mit einem deutschen Automobilkonzern und dem finnische Stahlunternehmen Outokumpu Nirosta forscht das Fraunhofer IWS an Lösungen für die schnelle und kostengünstige Massenproduktion von metallischen Bipolarplatten (BPP) für Brennstoffzellen. Die Produktion von BPP ist bislang sehr aufwendig, was die Kosten für Brennstoffzellen – auch durch die Verwendung teurer Edelmetalle – in die Höhe treibt. Im Rahmen der Projekte miniBIP I und miniBIP II entwickelten die Wissenschaftler des Fraunhofer IWS eine preisgünstige und zugleich hocheffiziente Beschichtung, die in ihren Eigenschaften mindestens vergleichbar gut wie Gold ist. So können beispielsweise elektrische Kontakte auf 50 bis 100 Mikrometer dünnen Stahlblechen für BPP mit einer nur wenige Nanometer dünnen, leitfähigen Kohlenstoffschicht (englisch: Graphite Like Carbon, GLC) beschichtet werden. Die mittels Physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) in wenigen Sekunden aufgebrachten Schichten weisen dabei verbesserte Kontaktwiderstände und Korrosionsbeständigkeiten auf. Die Projektpartner leisten damit einen wichtigen Beitrag für die Produktion umweltfreundlicher und langlebiger Fahrzeugantriebe.

Datenschutz und Datenverarbeitung

Wir setzen zum Einbinden von Videos den Anbieter YouTube ein. Wie die meisten Websites verwendet YouTube Cookies, um Informationen über die Besucher ihrer Internetseite zu sammeln. Wenn Sie das Video starten, könnte dies Datenverarbeitungsvorgänge auslösen. Darauf haben wir keinen Einfluss. Weitere Informationen über Datenschutz bei YouTube finden Sie in deren Datenschutzerklärung unter: http://www.youtube.com/t/privacy_at_youtube

Video: Vom Batch zum Band – Beschichtung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen (YouTube)

HOKOME – Rolle-zu-Rolle-Fertigung von Brennstoffzellen-Stacks

Rolle-zu-Rolle-System für kontinuierliche, zeit- und kostensparende Bandbeschichtungsprozesse von Brennstoffzellen-Stacks.
© Fraunhofer IWS Dresden
Rolle-zu-Rolle-System für kontinuierliche, zeit- und kostensparende Bandbeschichtungsprozesse von Brennstoffzellen-Stacks.

HOKOME beschreibt das Vorhaben des Fraunhofer IWS und vier weiterer Fraunhofer-Institute zur Entwicklung hochproduktiver und kosteneffizienter Fertigungskonzepte für Brennstoffzellen-Stacks. Die Nutzung von Wasserstoff als CO2-freiem Energieträger ist fester Bestandteil der Strategie international führender Fahrzeughersteller. Demgegenüber stehen bislang hohe Produktionskosten für Bipolarplatten (BPP) und Membran-Elektrodeneinheiten (MEA) – den beiden Hauptkomponenten von Brennstoffzellen-Stacks. Das Forschungsprojekt setzt an dieser Stelle an und treibt die Weiterentwicklung industrietauglicher Rolle-zu-Rolle-Beschichtungstechnologien (englisch: Roll-to-Roll, R2R) sowie hierfür notwendiger Umform- und Fügeverfahren voran. Sie sollen die derzeit übliche diskontinuierliche Batch-Einzelteilfertigung ersetzen. Zielstellung ist es, eine signifikante Reduzierung der Kosten von bis zu 50 Prozent zu erreichen. HOKOME stellt damit ein am Markt einmaliges Projekt dar, das für nachhaltige mobile Anwendungen etwa bei Lkw, Bussen und sonstigen Fahrzeugen, die insbesondere weite Fahrstrecken zurücklegen müssen, von Interesse ist.

HZwo:FRAME-Tank – Lasergeschweißte Ringdruckbehälter zur Wasserstoffspeicherung für die mobile Energieversorgung

Die lasergeschweißten Ringdruckbehälter bestehen aus einer lasertransparenten, weißen Oberschale und einer laserabsorbierenden, schwarzen Unterschale.
© Fraunhofer IWS Dresden
Die lasergeschweißten Ringdruckbehälter bestehen aus einer lasertransparenten, weißen Oberschale und einer laserabsorbierenden, schwarzen Unterschale.

Im Verbundprojekt HZwo:FRAME-Tank entwickeln sächsische Partner aus Industrie und Forschung einen Ringdruckbehälter zur Speicherung von Wasserstoff für die mobile Energieversorgung. Die kohlenstofffaserverstärkten Wasserstofftanks bestehen aus zwei im Spritzgussverfahren hergestellten Halbschalen: Einer lasertransparenten, weißen Oberschale und einer laserabsorbierenden, schwarzen Unterschale. Für das H2-dichte Fügen der beiden Schalenhälften hat das Fraunhofer IWS einen passenden Laserschweißprozess entwickelt. Auf einer modernen Multi-Remote-Anlage (MuReA), die eine großflächige, flexible und schnelle Bearbeitung verschiedener Werkstoffe ermöglicht, lassen sich so qualitativ hochwertige Schweißergebnisse zeit- und materialsparend erzielen. Das eigens entwickelte Fügestellendesign sorgt für eine bestmögliche Überbrückung von Bauteiltoleranzen der großvolumigen Spritzgusskörper, um so eine mediendichte Verschweißung abzusichern. Im Nachgang entsteht aus dem Kunststoffliner durch den Einsatz einer neuen Ringwickeltechnologie ein toroidaler Kohlenstofffaserverbund-Druckbehälter. Das durch die ESF-EFRE Technologieförderung der SAB Sächsischen Aufbaubank geförderte Verbundprojekt leistet damit einen wichtigen Beitrag für eine umweltfreundliche mobile Energieversorgung in Sachsen. 

H2 D – Additiv gefertigte BBP-Prototypen aus Titan Grade 1

Additiv im Pulverbettverfahren gefertigte BBP-Prototypen für Simulationsmodelle zur Flow-Field Optimierung.
© Fraunhofer IWS Dresden
Additiv im Pulverbettverfahren gefertigte BBP-Prototypen für Simulationsmodelle zur Flow-Field Optimierung.

Im Verbund mit 23 Fraunhofer-Instituten beteiligt sich das Fraunhofer IWS am Forschungsprojekt H2 D. Es soll den nachhaltigen und zukunftssicheren Aufbau einer modernen Wasserstoffwirtschaft in Deutschland vorantreiben und dabei auch internationale Dimensionen berücksichtigen. Einer der vier Schwerpunkte des Projekts beschäftigt sich mit der kostengünstigen Produktion von Wasserstoff mittels Elektrolyse. Die Wissenschaftler des Fraunhofer IWS unterstützen das Vorhaben, indem sie im Pulverbettverfahren Bipolarplatten (BPP) aus dem besonders reinen Werkstoff Titan Grade 1 herstellen. Mittels Additiver Fertigung lassen sich komplexe und zugleich filigrane Säulengeometrien von nur wenigen Mikrometern für alternative BPP-Designs realisieren. Die Eignung der resultierenden Prototypen für PEM-Elektrolyseure lässt sich anschließend durch sogenannte Flow-Field-Analysen visualisieren, die Aufschluss über die gleichmäßige Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der BPP geben. Der Mehrwert durch die Additiven Fertigung liegt dabei auf der Hand: Prototypen lassen sich schnell und ohne zusätzliche Werkzeuge anfertigen.

 

Video

Magnetpulsschweißen ermöglicht sicheren Wasserstoffeinsatz in der Luft- und Raumfahrt

Fliegen soll in Zukunft umweltfreundlicher werden. Weltweit entwickeln Forschende dafür neue Technologien. Im Mittelpunkt steht dabei auch die Idee, künftig wasserstoffbasierte Antriebe für Flugzeuge zu nutzen.