Neuer Ansatz zur Qualitätskontrolle in der Bipolarplatten-Fertigung

Ein neues Forschungsprojekt namens „AKS-Bipolar“ entwickelt eine Lösung zur Echtzeit-Qualitätskontrolle, um bei der Produktion metallischer Bipolarplatten zum Einsatz in Brennstoffzellen die Stückzahl zu erhöhen und gleichzeitig den Ausschuss zu reduzieren.

Bei den Bipolarplatten (BPP) handelt es sich bekanntlich um Schlüsselkomponenten in modernen Brennstoffzellen. Sie liegen zwischen den stapelartig angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) und übernehmen die Funktion, die bei der Energieumwandlung entstehenden Reaktionsgase zu- und das entstehende Wasser abzuleiten. In modernen Brennstoffzellsystemen sind je nach Typ und Größe 300 bis 600 BPP verbaut.

„Lange Zeit dominierten BPP aus Graphit den Markt, doch der Trend geht aus wirtschaftlichen Gründen und aufgrund der höheren Leitfähigkeit hin zu metallischen BPP“, heißt es in einer Mitteilung zum Forschungsprojekt einleitend. „Um diese herzustellen, kommen Umformverfahren zum Einsatz (…).“ Dabei komme es unter Umständen aber schnell zu Umformfehlern wie Reißern, Falten oder Wölbungen, die die Montage der Zellenstapel erschwerten. „Bisher lassen sich die meisten dieser Fehlerbilder der metallischen BPP nicht konsistent erkennen oder vermeiden, weshalb die Qualitätsprüfung nachgelagert in kosten- und zeitintensiven Stichprobentests erfolgt.“

An diesem Punkt setzt „AKS-Bipolar“ (Aktive Prozesskontrolle bei der Serienfertigung hochpräzise geprägter Bipolarplatten) an. Das Projektteam setzt sich aus Wissenschaftlern der Universität Stuttgart, des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik in Freiburg sowie Vertretern der Firmen Thyssenkrupp System Engineering und Chemische Werke Kluthe zusammen. Das Projekt hat ein Gesamtvolumen von rund 1,43 Millionen Euro und wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG und der Fraunhofer-Gesellschaft im Rahmen der Linie trilateraler Transferprojekte gefördert.

Zur effizienteren Qualitätskontrolle schwebt dem Team „ein Gesamtsystem zur aktiven Prozesskontrolle und Qualitätssicherung vor, das eine vollflächige 3D-Messtechnik direkt in die Produktionslinie der Bauteile integriert und alle Prozessstufen in einer Gesamtsimulation abbildet“. Kern der Methode sind „hochgenauen 3D-Daten“, die durch eine vom Fraunhoer IPM entwickelte digital-holographische Sensortechnik in Echtzeit zur Verfügung stehen und mit Simulationsergebnissen verglichen werden.

Die Errungenschaften des Projekts sollen anschließend mittels eines Demonstrators an einem konkreten, industriellen Fertigungsbeispiel nachgewiesen werden. Dazu planen die Initiatoren ein Experimentalsystem aufzubauen – zunächst im Labor- und später im Industriemaßstab.

Im Bereich Wasserstoff sind in Deutschland in jüngster Zeit mehrere Initiativen gestartet. Mitte 2020 hatte das Bundeskabinett als Fundament die lange erwartete „Nationale Wasserstoffstrategie“ beschlossen. Auf deren Basis hat das BMVI beispielsweise erst vor Kurzem das Innovations- und Technologiezentrum „Wasserstofftechnologie für Mobilitätsanwendungen“ aufs Gleis gesetzt. Dieses wird an vier Standorten realisiert: in Chemnitz, Duisburg, Pfeffenhausen und in einem Verbund dreier Städte in Norddeutschland.

Die Fraunhofer-Gesellschaft befasst sich ebenfalls intensiv mit der Entwicklung von Lösungen für die Brennstoffzellen-Massenfertigung. Ein von der Organisation ins Leben gerufener „Nationaler Aktionsplan Brennstoffzellen-Produktion“ soll 20 einzelne Fraunhofer-Institute koordinieren, um Fertigungsverfahren zu kreieren, die zur wirtschaftlichen Herstellung von Brennstoffzellen beitragen.

Hinzukommen europäische Ansätze: So haben das Bundeswirtschafts- und Bundesverkehrsministerium im Frühsommer 62 Großprojekte ausgewählt, die im Rahmen eines gemeinsamen europäischen Wasserstoffprojekts (Wasserstoff-IPCEI) staatlich gefördert werden sollen.
idw-online.de