Mehr Leistung für Brennstoffzellenantriebe Neue Bipolarplatten-Generation für Brennstoffzellenantriebe mit mehr Leistung

Brennstoffzellenstacks mit neuen metallischen Bipolarplatten von Schaeffler haben eine rund 20 Prozent höhere Leistungsdichte als Stacks mit Platten der Vorgängergeneration. Prototypen- und Kleinserien von Fahrzeugherstellern werden bereits auf Pilotanlage gefertigt, das Plattendesign ist für die Industrialisierung im Grossserienmassstab ausgelegt

Sie sind das Herzstück eines jeden Brennstoffzellensystems: Bipolarplatten. Mit einer neuen Generation von metallischen Bipolarplatten für PEM-Brennstoffzellen zeigt Schaeffler nun seine Entwicklungskompetenz für die Zukunft der Wasserstoffmobilität. Die Platten haben ein neues, für die Grossserie optimiertes Design und verwenden ein innovatives Beschichtungsverfahren für eine besonders lange Lebensdauer. Damit ausgestattete Stacks erreichen zudem eine rund 20 Prozent höhere Leistungsdichte als Stacks mit den Platten der Vorgängergeneration. «Schaeffler setzt für den Antrieb von Nutzfahrzeugen auch auf Wasserstoff, insbesondere für die Langstrecke. Wir entwickeln sowohl einzelne Komponenten als auch Subsysteme für Brennstoffzellen und bereiten ihre Industrialisierung vor», sagt Matthias Zink, Vorstand Automotive Technologies der Schaeffler AG. In Herzogenaurach fertigt das Unternehmen die neuen Platten für zahlreiche Prototypen- und Kleinserien von internationalen Fahrzeugherstellern mit bis zu mehreren zehntausend Stück. Die am Standort aufgebaute Pilot-Fertigungsanlage ist Teil des Wasserstoff-Kompetenzzentrums des Unternehmens, zu dem auch zahlreiche Prüfstände und Testanlagen gehören. Die vollständig automatisierte Fertigungsanlage ist zudem konstruktiv so ausgelegt, dass dort auch grössere Platten für Elektrolyseure hergestellt werden können. Damit sorgt Schaeffler sowohl für nachhaltige Bewegung als auch die nachhaltige Bereitstellung von grünem Wasserstoff. Dank seines System-Know-hows entwickelt Schaeffler zudem gemeinsam mit Kunden individuelle Bipolarplatten und Komponenten für Brennstoffzellensysteme. Ab Anfang 2024 fertigt Schaeffler Bipolarplatten im gemeinsam mit Symbio gegründeten Joint Venture Innoplate im französischen Haguenau.

Neues Plattendesign für mehr Leistungsdichte

Auf den ersten Blick wirken Bipolarplatten eher unscheinbar, denn sie sind in etwa nur so gross wie ein DIN A4-Briefumschlag und wiegen rund 60 Gramm. Sie übernehmen jedoch wichtige Funktionen in einer Brennstoffzelle: Sie trennen und verteilen die Prozessgase sowie das Kühlmittel und führen das durch die chemische Reaktion entstandene Wasser ab. «Schaeffler hat ein innovatives Design entwickelt, das die verfügbare Fläche der Platten optimal ausnutzt. Denn je feiner und präziser die Strukturen auf den Bipolarplatten sind, umso effizienter arbeiten sie», sagt Dr. Jochen Schröder, Leiter des Unternehmensbereiches E-Mobilität bei Schaeffler. So realisiert der Zulieferer eine Leistungsdichte des Brennstoffzellenstacks von 4,6 Kilowatt pro Liter, basierend auf dem Stackvolumen inklusive der Endplatten und der Verspannung.

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Für den Antrieb in einem Fahrzeug werden mehrere hundert Bipolarplatten zum Brennstoffzellenstack aufeinandergeschichtet – immer im Wechsel mit der sogenannten Membran-Elektroden-Einheit (MEA). In diesem Verbund machen die Platten bis zu 80 Prozent des Stackgewichts und bis zu 65 Prozent des Stackvolumens aus. Werden bis zu 400 solcher Zellverbunde gestapelt, entsteht ein Stack mit einer elektrischen Gesamtleistung von bis zu 140 Kilowatt, ausreichend für den Antrieb von leichten Nutzfahrzeugen. Schwere Nutzfahrzeuge mit bis zu 40 Tonnen werden in der Regel mit der Antriebsenergie aus zwei Stacks versorgt.

Fertigung im Industriemassstab

Schaeffler hat seine neue Bipolarplatten-Generation ebenfalls konsequent auf die Industrialisierung im Grossserienmassstab vorbereitet. Experten sprechen vom Design-for-Manufacturing. Das Ziel: eine kostengünstige und serientaugliche Fertigung, die der Wasserstoffmobilität zum Durchbruch verhelfen soll. Hierfür nutzt das Unternehmen seine langjährige Kompetenz in der Stanz- und Umformtechnik und erreicht eine besonders hohe Präzision, um die ultrafeinen Prägestrukturen auf den 50 bis 100 Mikrometer dünnen Platten zu erzeugen.

Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal der metallischen Bipolarplatten von Schaeffler ist das Beschichtungssystem. Aufgabe der Beschichtung ist es, eine hohe elektrische Leitfähigkeit über die gesamte Lebensdauer der Brennstoffzelle aufrecht zu erhalten. Mit der sogenannten «Enertect»-Familie hat Schaeffler mehrere Hochleistungsschichtsysteme speziell für Bipolarplatten entwickelt, die – je nach Kundenwunsch – auf besonders hohe Lebensdaueranforderungen, einen möglichst geringen CO2-Fussabdruck oder ein optimiertes Preis-Leistungs-Verhältnis abzielen. «Durch unsere Kompetenz in der Oberflächentechnik sind wir in der Lage, jedem Kunden eine anwendungsspezifische Schichtentwicklung anzubieten und dabei Kosten, Leistung und CO2-Emissionen bei der Herstellung je nach Bedarf auszubalancieren», sagt Jochen Schröder. Aufgebracht werden die Schichtsysteme mit dem Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD, Physical Vapour Deposition), welches aus der millionenfach bewährten Produktion von hochbeanspruchten Ventiltriebskomponenten übernommen und nochmals verfeinert wurde. Schliesslich ist die Dichtheit ein weiteres zentrales Qualitäts- und Sicherheitskriterium bei einer Brennstoffzelle. Schaeffler verwendet hierfür sowohl ein selbstentwickeltes Laserschweissverfahren, um die Zellen gas- und wasserdicht zu machen, als auch wahlweise Spritzguss- oder Siebdruckdichtungen.

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