Der Schwertransport, insbesondere der Verkehr mit Lastkraftwagen, trägt wesentlich zu den globalen CO₂-Emissionen bei. In Europa entfallen etwa 30 Prozent der Emissionen im Mobilitätssektor auf den Straßengütertransport. Bisher dominieren hier fossile Brennstoffe, da batterieelektrische Lösungen aufgrund der benötigten Akkumulatoren ein enormes Zusatzgewicht mitführen, wodurch die potenzielle Nutzlast beeinträchtigt wird. Zudem stellen die damit verbundenen Anforderungen an Ladeströme und die Ladezeiten bedeutenden Einschränkungen für den Einsatz in Schwertransportanwendungen dar. Brennstoffzellen bieten eine vielversprechende Alternative, da sie eine hohe Energiedichte mit einer schnellen Betankung kombinieren.
Brennstoffzellen für den Schwertransport müssen besonders robust und langlebig sein, da sie unter anspruchsvollen Bedingungen eingesetzt werden. Temperatur-schwankungen, mechanische Belastungen und korrosive Umgebungen stellen hohe Anforderungen an die Materialien und die Verarbeitung der einzelnen Komponenten. Hier setzt das HyCoFC-Projekt an: Die Kombination einer metallischen Trägerfolie mit einer leitfähigen Compound-Folie vereint die Vorteile beider Materialien. Die großformatigen Hybrid-Compound Bipolarplatten bieten eine gute elektrische Leitfähigkeit, mechanische Stabilität und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit – Eigenschaften, die für den Schwertransport entscheidend sind. Diese Platten sollen die Lebensdauer von Brennstoffzellen verbessern und gleichzeitig die Produktionskosten senken.
Darüber hinaus erlaubt die modulare Struktur der Brennstoffzellenstacks eine Skalierung für unterschiedliche Anwendungsbereiche, von Nutzfahrzeugen bis hin zu Schiffen und sogar stationären Anwendungen. »Diese Vielseitigkeit macht die Technologie zu einer idealen Komponente für die Energiewende im Mobilitätssektor«, erläutert Friederike Brackmann von der Abteilung Fügen und Trennen am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT.
Wissenschaft und Industrie: Gemeinsam forschen
Das Projekt HyCoFC wird im Rahmen des Innovationswettbewerbs »Energie.IN.NRW« gefördert, der Teil der europäischen Regionalförderung ist. Die Gesamtlaufzeit des Projekts erstreckt sich vom 15. Juni 2024 bis zum 14. Juni 2027. Mit einem Gesamtfördervolumen von rund 3 Millionen Euro wird das Projekt von einer starken finanziellen Basis getragen, die es den Partnern aus Wissenschaft und Industrie ermöglicht, umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchzuführen. Neben dem Fraunhofer ILT ist auf wissenschaftlicher Seite das Fraunhofer UMSICHT beteiligt. Die Industrieunternehmen sind Projektkoordinator thyssenkrupp Steel sowie FEV, Schepers und Cleanlaser.
Die metallische Trägerfolie stellt thyssenkrupp Steel mit einer Chromschicht her, um die Korrosionsbeständigkeit und die Verbindungseigenschaften zur Compound-Folie zu verbessern. Fraunhofer UMSICHT steuert gezielt die elektrische und thermische Leitfähigkeit der Compound-Folie durch die Auswahl spezifischer Materialien und die Feinabstimmung ihrer Zusammensetzung. Das Fraunhofer ILT widmet sich im Rahmen des Projekts der Weiterentwicklung laserbasierter Technologien für die Herstellung und Funktionalisierung der Hybrid-Compound Bipolarplatten. Wobei sich Friederike Brackmann vor allem um die fügetechnischen Herausforderungen kümmert und ihr Kollege Tobias Erdmann aus der Abteilung Oberflächentechnik und Formabtrag des Fraunhofer ILT um die selektive Entschichtung der Compound Elemente mittels Laserstrahlung und der finalen elektrochemischen Charakterisierung des Hybrid-Stacks. Mit unterschiedlichen Lasertechniken bringen sie Mikrostrukturen in die Bauteile ein, um die Verbindung zwischen der metallischen und der polymerbasierten Komponente zu verbessern. Darüber hinaus entwickeln sie Prozesse zum Abtragen von Materialschichten, was die elektrische Leitfähigkeit der Bipolarplatten maximiert.
Im hauseigenen Hydrogen Lab des Fraunhofer ILT finden die Forschenden eine umfassend ausgestattete Infrastruktur, die speziell auf die praxisnahe Entwicklung und Optimierung von Wasserstofftechnologien ausgerichtet ist. Auf einer Fläche von 300 m² sind modernste lasertechnische Versuchsanlagen und Prüfstände eingerichtet, die es ermöglichen, sowohl einzelne Fertigungsschritte als auch komplette Prozessketten sowie konkrete industrielle Anwendungen unter realistischen Bedingungen zu testen und weiterzuentwickeln.
Brackmann testet hier beispielsweise, wie sich die Bipolarplatten mit Laserstrahlschweißen wasserstoffdicht und reproduzierbar verbinden lassen. Erdmann untersucht, wie der Übergangswiderstand zwischen Bipolarplatte und Gastransportschicht optimiert werden kann. »Wir legen das leitfähige Grafitfüllmaterial im Kontaktbereich zur Gastransportschicht frei«, erklärt der Forscher. »Anders als mechanische Schleifverfahren kann ultrakurz gepulste Laserstrahlung den Kunststoff selektiv entfernen, ohne das Füllmaterial zu beschädigen.«
Zukunftsperspektiven für nachhaltigen Transport
Durch die Kombination innovativer Materialien und Produktionsmethoden werden nicht nur die Anforderungen des Schwertransports erfüllt, sondern auch neue Maßstäbe in der Brennstoffzellentechnologie gesetzt. Die entwickelten Hybrid-Compound Bipolarplatten bieten das Potenzial, die Lebensdauer von Brennstoffzellen erheblich zu steigern und deren Einsatzmöglichkeiten zu erweitern. Von Schwerlastfahrzeugen über maritime Anwendungen bis hin zu stationären Systemen eröffnet das Projekt vielfältige Perspektiven für eine klimafreundliche Energieversorgung.
»Das Fraunhofer ILT nimmt eine zentrale Rolle in der Entwicklung von Hybrid-Compound-Brennstoffzellen ein, indem es wegweisende Laserfertigungstechnologien bereitstellt, die sowohl die Effizienz als auch die Langlebigkeit dieser innovativen Energiesysteme signifikant verbessern«, erklärt Friederike Brackmann.
Die enge Zusammenarbeit zwischen den Projektpartnern und die Unterstützung durch Förderprogramme schaffen die Grundlage für eine erfolgreiche Implementierung der Ergebnisse in die Praxis. »Ein besonderer Fokus bei HyCoFC liegt auf der Entwicklung von Verfahren, die eine wirtschaftlich skalierbare und kosteneffiziente Produktion in großen Mengen ermöglichen«, sagt Tobias Erdmann. »Hierbei setzten wir auf das Rolle-zu-Rolle-Verfahren, das eine kontinuierliche und qualitativ hochwertig Verarbeitung der Materialien gewährleistet. Das wollen wir als nächstes umsetzen und testen.«
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
