BiFoilStack: Stack-Designs für Brennstoffzellen

Brennstoffzellen-Antriebe stellen eine aussichtsreiche Technologie zur Substitution von Verbrennungsmotoren in Nutzfahrzeugen dar. Wesentliche Hürden für die flächendeckende Verbreitung sind die derzeit noch hohen System- und Stack-Kosten sowie die geringe Lebensdauer der Brennstoffzellen. Kernziel des Projektes BiFoilStack ist die Entwicklung von maßgeschneiderten Stack-Konzepten für NT-PEM-Brennstoffzellen für die Zielanwendung »Nutzfahrzeuge« auf Basis von Compound-Bipolarfolien aus dem Kalandrierverfahren von Fraunhofer UMSICHT. Die thermoplastischen Bipolarfolien mit bis zu 90 Prozent Kohlenstoff weisen eine hohe elektrische Leitfähigkeit und geringe Kontaktwiderstände auf, können passgenau an spezifische Anforderungsprofile adaptiert und zudem mit artgleichen Fügepartnern verschweißt werden. Hierdurch ergeben sich völlig neue Konstruktionsmöglichkeiten und damit Ansätze für innovative Stack-Konzepte.

Im Projekt betrachtet werden eine gedichtete sowie eine (teil-)verschweißte Bauweise. Stack-Designs mit Rahmenelementen werden rahmenlosen Konzepten gegenübergestellt, Konzepte mit Bipolar-Vollplatten aus strukturierten und gefügten Halbplatten sowie in Schichten bzw. Layern aufgebaute Bipolarplatten evaluiert und auch Stackaufbauten mit Bipolarplatten ohne eigenes Flowfield und mit innovativem Gasverteilsystem untersucht. Im Fokus der Entwicklungen stehen dabei die Modularität, eine hohe Ausfallsicherheit gepaart mit langer Lebensdauer sowie die Reduzierung der Fertigungs- und Assemblierungskosten – u.a. durch Einsatz verschweißter Komponenten. Die Bipolarplatten werden materialseitig an die Anforderungen der neuartigen Stack-Konzepte angepasst, wobei der Prozess zwischen Material- und Stackentwicklung iterativ verläuft. Weiterhin erfolgen Entwicklungsschritte hinsichtlich Umformbarkeit und Laminierbarkeit der Bipolarplatten mit dem Ziel, eine Bipolar-Vollplatte mit Flowfield herzustellen.

Das zunehmende Auftreten von Wetterextremen wie Hitze- und Dürreperioden, Überschwemmungen und Tornados an untypischen Orten unterstreicht die Dringlichkeit rascher Maßnahmen für klimaneutrale und nachhaltige Lösungen. Mit einem Anteil von mehr als einem Drittel an den weltweiten CO₂-Emissionen ist der Verkehr einer der größten Treiber des Klimawandels. Während der Übergang von fossilen Energieträgern zu nachhaltigen Lösungen bei Personenkraftwagen in vollem Gange ist, hinken die schweren Nutzfahrzeuge und der Straßengüterverkehr noch hinterher. Dies ist vor allem auf den viel höheren Energiebedarf dieser Fahrzeuge im Vergleich zu Personenkraftwagen zurückzuführen, was Batterielösungen und die entsprechende Ladeinfrastruktur zu einer Herausforderung macht. Hier sind Brennstoffzellen weithin als Eckpfeiler für die Elektrifizierung des Schwerlastsektors anerkannt. Sie wandeln Wasserstoff in Strom um, der den elektrischen Antriebsstrang des Fahrzeugs versorgt. Leider befindet sich die Industrialisierung von Brennstoffzellen derzeit auf einem Niveau, auf dem sich batterieelektrische Fahrzeuge vor fünf bis zehn Jahren befunden haben, und es sind noch einige Hürden zu meistern. Eine große Herausforderung für die Anwendung von Brennstoffzellen in schweren Nutzfahrzeugen ist beispielsweise die Haltbarkeit. Die Brennstoffzellen müssen eine Lebensdauer von über 30 000 Stunden haben. Dies gilt insbesondere für den Langstreckentransport.

Derzeit sind Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEM) der bevorzugte Brennstoffzellentyp im Verkehrswesen. Ihre Vorteile sind die schnelle Startzeit sowie die hohe Leistungsdichte und Effizienz. Sie bestehen aus mehreren hundert Zellen, die sich durch eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) auszeichnen, die zwischen zwei Bipolarplatten (BPP) eingebettet ist. Die BPP stellen voneinander getrennte Strömungskanäle für die Eduktgase, das Produktwasser sowie das Kühlmedium zur Verfügung, verbinden die einzelnen Zellen elektrisch und führen Wärme an den Kühlkreislauf ab.

Für das Projekt »BiFoilStack – Entwicklung von Stack-Designs für NT-PEM-Brennstoffzellen mit neuartigen Compound-Bipolarfolien« stellen dünnwandige Compound-Bipolarfolien aus dem Kalandrierverfahren von Fraunhofer UMSICHT die Basis dar. Ziel ist es, die neuartigen Folien im Hinblick auf die spezifischen Anforderungen von Brennstoffzellenstapeln für Schwerlastanwendungen weiterzuentwickeln und kostengünstige skalierbare industrielle Prozesse zur Umwandlung der Compound-Folien in Bipolarplatten zu erarbeiten. Zudem erfolgt im Projekt eine simulationsgestützte Entwicklung innovativer Zell- und Stackdesigns, welche die zusätzlichen Designfreiheiten des Materials nutzen. Das Compound-Material hat das Potenzial, eine bahnbrechende Technologie zu sein, indem es die Eigenschaften von metallischen und graphitischen Platten kombiniert – Substratdicke nahe an Metall, überlegene Korrosionsbeständigkeit und kostengünstige Produktionsprozesse.

Im Projekt werden insbesondere folgende Entwicklungspfade evaluiert:

• Assemblierung, Druckverluste und Leistungsfähigkeit: BPP aus strukturierten und gefügten Halbplatten versus mehrlagiger BPP mit unterschiedlichen Flowfields auf Vorder- und Rückseite
• Modularität, Langlebigkeit und Assemblierung: Gedichtete versus (teil-)verschweißte Bauweise
• Aufbau und Design: Stack mit Rahmenelementen versus rahmenloses Design
• Herstellungskosten BPP und Assemblierung: Stack-Design mit BPP ohne eigenes Flowfield mit innovativem Gasverteilsystem

• Materialseitige Optimierung der Compound-Bipolarfolien aus dem Kalanderverfahren für das Anwendungsfeld »Nutzfahrzeuge« und Weiterentwicklung von unstrukturierten Bipolarfolien zu Bipolar-Vollplatten mit Flowfield
• Entwicklung und Umsetzung maßgeschneiderter Stack-Konzepte
• Erhöhung der Lebensdauer von mobilen Brennstoffzellen (> 20 000 h)
• Erzielung einer volumetrischen Leistungsdichte auf Stack-Ebene von > 5 kW_net/l
• Elektrochemische und Degradationscharakterisierung der entwickelten Komponenten (Bipolarfolien und Stack)
• Bewertung der Entwicklungen hinsichtlich technischer, ökologischer und ökonomischer Aspekte und Vergleich zu State-of-the-Art-Komponenten

• FEV Europe GmbHDätwyler Sealing Solution Deutschland GmbH & Co KG
• Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
• Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
• Hydrogenics GmbH (assoziierter Partner)
• Imerys Graphite & Carbon (assoziierter Partner)