Schaeffler entwickelt Next

Mit einer neuen Generation metallischer Bipolarplatten für PEM-Brennstoffzellen stellt Schaeffler seine Entwicklungskompetenz im Bereich wasserstoffbetriebener Mobilität unter Beweis. Alle Brennstoffzellensysteme basieren auf Bipolarplatten, aber Schaeffler sagte, dass seine Platten über ein neues Design verfügen, das für die Großserienproduktion optimiert ist, und einen Beschichtungsprozess für eine lange Lebensdauer der Brennstoffzellen nutzen. Das Unternehmen gab an, dass Stapel, die mit seinen Platten hergestellt werden, eine um etwa 20 Prozent höhere Leistungsdichte erreichen als Stapel, die mit Platten der vorherigen Generation hergestellt wurden.

In einer eigens dafür errichteten Pilotproduktionsanlage in Herzogenaurach, Deutschland, fertigt das Unternehmen die neuen Platten nun in Auflagen von bis zu mehreren Zehntausend Einheiten für den Einsatz bei internationalen Fahrzeugherstellern in der Prototypen- und Kleinserienfertigung. Die vollautomatisierte Anlage ist Teil des Schaeffler-Kompetenzzentrums für Wasserstoff, zu dem auch umfangreiche Prüfgeräte gehören. Die Anlage ist so konzipiert, dass damit auch Großplatten hergestellt werden können, wie sie für Elektrolyseure verwendet werden. Damit sorge Schaeffler sowohl für eine nachhaltige Bewegung als auch für die nachhaltige Versorgung mit grünem Wasserstoff, so das Unternehmen. Darüber hinaus ist Schaeffler in der Lage, gemeinsam mit Kunden maßgeschneiderte Bipolarplatten und Komponenten für Brennstoffzellensysteme zu entwickeln.

Das Unternehmen soll Anfang 2024 unter dem Namen Innoplate, einem Joint Venture mit Symbio, im französischen Haguenau mit der Produktion von Bipolarplatten beginnen.

Bipolarplatten seien zwar nur etwa so groß wie ein DIN-A4-Umschlag und nur 60 Gramm schwer, aber sie seien Kernbestandteile von Brennstoffzellen, sagte Schaeffler. Sie erfüllen eine Reihe lebenswichtiger Funktionen, darunter die Bereitstellung von Kanälen sowohl für die Trennung und Verteilung der Prozessgase und des Kühlmittels als auch für die Entfernung des bei der chemischen Reaktion entstehenden Wassers.

„Schaeffler hat ein innovatives Design entwickelt, das die Oberfläche der Platte optimal ausnutzt“, erklärt Dr. Jochen Schröder, Leiter E-Mobilität bei Schaeffler. „Je feiner und präziser die Strukturen auf der Bipolarplatte sind, desto effizienter ist die Platte.“

Die neuen Platten von Schaeffler ermöglichen eine Leistungsdichte des Brennstoffzellenstacks von 4,6 kW pro Liter Brennstoffzellenvolumen (einschließlich Endplatten und Kompressionshardware). Für Fahrzeuganwendungen werden mehrere Hundert dieser Platten übereinander geschichtet und jeweils durch eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) getrennt, um einen Stapel zu bilden. Die Platten machen bis zu 80 Prozent des Stapelgewichts und bis zu 65 Prozent seines Volumens aus. Stacks aus bis zu 400 dieser Zelleinheiten haben eine Gesamtleistung von bis zu 140 kW – genug für leichte Nutzfahrzeuge.

Auch die neue Bipolarplatten-Generation von Schaeffler ist von Grund auf für die Industrialisierung im Großmaßstab konzipiert – ein Ansatz, der als Design for Manufacturing (DFM) bezeichnet wird. Ziel ist es, ein Maß an Wirtschaftlichkeit und Skalierbarkeit der Fertigung zu erreichen, das den Marktdurchbruch der wasserstoffbetriebenen Mobilität ermöglicht. Bei der Produktion nutzt das Unternehmen seine langjährige Erfahrung und sein Know-how in der Metallstanze und -umformung und erreicht die hohe Präzision, die erforderlich ist, um die notwendigen ultrafeinen Strukturen auf die Oberfläche der nur 50 mm dicken Bleche zu prägen bis 100 Mikrometer, gab das Unternehmen an.

Ein weiteres Merkmal der metallischen Bipolarplatten von Schaeffler ist das Beschichtungssystem, das über die gesamte Lebensdauer der Brennstoffzelle eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufrechterhält, so das Unternehmen. Die Lösung von Schaeffler heißt „Enertect“ – eine Familie von Hochleistungsbeschichtungssystemen, die speziell für Bipolarplatten entwickelt wurden. Je nach Kundenanforderung können die Beschichtungen auf maximale Plattenlebensdauer, minimalen CO2-Fußabdruck oder ein optimiertes Preis-Leistungs-Verhältnis ausgelegt werden.

„Dank unserer Kompetenzen in der Oberflächentechnik sind wir in der Lage, jedem Kunden eine anwendungsspezifische Beschichtungslösung anzubieten. Dadurch können wir die Anforderungen jedes Kunden hinsichtlich der Balance zwischen Kosten, Leistung und herstellungsbedingten CO2-Emissionen erfüllen“, sagte Schröder.

Die Beschichtungen werden mit einer speziell angepassten und fein abgestimmten Variante des PVD-Verfahrens (Physical Vapour Deposition) aufgebracht, das Schaeffler seit Jahren erfolgreich bei der Produktion von Millionen hochbeanspruchter Ventiltriebkomponenten einsetzt. Um Brennstoffzellen gas- und wasserdicht zu machen, was unter Qualitäts- und Sicherheitsgesichtspunkten unerlässlich ist, setzt Schaeffler nach Angaben des Unternehmens entweder auf Spritzguss- oder Siebdruckdichtungen oder je nach Anforderung auf ein spezielles, selbst entwickeltes Laserschweißverfahren.