Ganzheitliche Produkt- und Prozessentwicklung von skalierbaren Bipolarplatten für die Realisierung innovativer Brennstoffzellen für CO₂-neutrale Anwendungen

Das Projekt befasst sich mit der Entwicklung von PEM-Brennstoffzellen für einen Leistungsbereich von mindestens 1 Megawatt für die Luftfahrt, maritime Anwendungen und den Schienenverkehr sowie für stationäre Stromerzeugungssysteme. Um solche Leistungsbereiche mit PEM-Brennstoffzellen zu erreichen, sind hochskalierte Bipolarplatten (BPP) mit einer Fläche von mindestens 1000 cm² erforderlich, was ein völliges Umdenken in der Produkt- und Prozessentwicklung erfordert.

Aus produktionstechnischer Sicht werden im Rahmen des Projekts neue Ansätze für die Medienversorgung und -verteilung innerhalb der Bipolarplatte (BPP) und des Brennstoffzellenstapels sowie für Umform- und Fügeverfahren und für Beschichtungs- und Versiegelungskonzepte entwickelt, die zur Realisierung solcher BPPs erforderlich sind.

Neun Unternehmen und Institutionen sind an dem Projekt beteiligt: CellForm Hydrogen GmbH & Co. KG, Matthews International GmbH, VON ARDENNE GmbH, Weil Technology GmbH, C-marx GmbH, ZELTWANGER Holding GmbH, HoKon GmbH & Co. KG, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die Universität Stuttgart, Institut für Umformtechnik (IFU).

Das Projekt wird außerdem von 11 assoziierten nationalen und internationalen Teilnehmern unterstützt, darunter Zeppelin Power Systems GmbH, H2FLY GmbH, TRUMPF SE & Co. KG, SIEMENS, Wickeder Westfalenstahl GmbH, ZAPP Precision Metals GmbH, Raziol Zibulla & Sohn GmbH, HYDAC International GmbH, Enapter GmbH, Electric Hydrogen GmbH & Co. KG und Altair Engineering GmbH.

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen des Förderprogramms "Angewandte nichtnukleare Forschung" im 8.

Ziel des Projekts

Das Verbundprojekt BiPro2Scale zielt darauf ab, ein innovatives produktionsorientiertes Konzept für großformatige, hoch skalierbare metallische Bipolarplatten (BPP) energieeffizient und kostengünstig umzusetzen. Langfristig sollen diese BPPs eine bisher unerreichte Leistung von über 1 MW pro Stack ermöglichen. Gleichzeitig werden alternative Materialien für das BPP-Substrat, die Beschichtung und die Versiegelung untersucht und eingesetzt, um die Lebensdauer der Stacks deutlich zu verlängern.

Das Projekt zielt auf den gesamten Wertschöpfungsprozess für BPP, beginnend mit dem folienbasierten Halbzeug und dessen Umformung zu bipolaren Halbplatten (BHP), dem Fügen dieser einzelnen Halbplatten und schließlich der Dichtheitsprüfung und Beschichtung der BPP im gefügten bzw. im montierten Zustand. Die einzelnen Fertigungsschritte und ihre technischen und wirtschaftlichen Abhängigkeiten werden untersucht. Das im Rahmen des Projekts zu entwickelnde Strömungsfelddesign für großflächige BPP wird sowohl aus Sicht der Produktleistung als auch aus Sicht einer nachhaltigen und wirtschaftlichen Fertigung kontinuierlich bewertet. Um dieses Gesamtziel zu erreichen, verfolgt das Konsortium eine integrierte und interdisziplinäre Entwicklungsstrategie, die im Folgenden beschrieben wird.

Bedeutung und Ausblick

Das für die Produktion großformatiger skalierbarer BPPs entwickelte Know-how wird in einem virtuellen Produktionskonzept konsolidiert und das Potenzial für die industrielle Serienproduktion bewertet. Dank der Zusammenarbeit des Konsortiums, das renommierte Teilnehmer aus Industrie und Wissenschaft verbindet, hat das Verbundprojekt BiPro2Scale das Potenzial, ein Vorreiter für die industrielle Produktion von skalierten BPPs für PEMFCs mit einer Leistung von über 1 MW zu werden. Bezogen auf die gesamten Treibhausgasemissionen der EU ergibt sich daraus ein Einsparpotenzial von über 8 % - Tendenz steigend. Alle beteiligten Industrieunternehmen betrachten die Ergebnisse als integralen Bestandteil ihrer zukünftigen Strategie und planen, die entwickelten technischen Systeme in ihre Geschäftsbereiche zu integrieren, um neue Märkte zu erschließen.

Jeder Projektteilnehmer wird sowohl während der Projektlaufzeit als auch nach Abschluss des Projekts als Multiplikator für die erzielten Ergebnisse fungieren und damit Innovationen direkt in die Brennstoffzellenindustrie transferieren. Darüber hinaus werden die akademischen Teilnehmer des Konsortiums Teile der Ergebnisse in Fachzeitschriften veröffentlichen und als Vorträge auf nationalen und internationalen Tagungen und Konferenzen präsentieren, um die Sichtbarkeit der beteiligten deutschen Institute in Forschungsbereichen der Brennstoffzellentechnologie national und international zu erhöhen.

Durch die Einbindung von Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen wird ein gezieltes Gleichgewicht zwischen Innovation und Umsetzbarkeit der technologischen und wissenschaftlichen Projektziele sichergestellt. Dies garantiert, dass die erarbeiteten wissenschaftlichen Inhalte in Bereichen wie BPP-Design, Simulationsmethoden und Produktionsverfahren zeitnah im industriellen Kontext angewendet werden können und den Anforderungen und Zielen der beteiligten Industrieunternehmen entsprechen.