KeyTech2GreenPower

Herstelltechnologien für Titan-Bipolarplatten (BPP) und Stack-Assemblierung als Enabler-Technologie für Brennstoffzellensysteme in der Luftfahrt

Das Projekt zielt auf die Entwicklung eines gewichtsoptimierten Brennstoffzellen-Stacks mit Titan-Bipolarplatten (BPP) ab. Dieser soll eine signifikant höhere Leistungsdichte erreichen und somit deutlich leichter sein als herkömmliche Edelstahl-Stacks aus dem Automobilsektor. Das Ziel besteht darin, sämtliche Fertigungs- und Montageprozesse – vom Umformen über das Laserschweißen bis hin zur Assemblierung des Brennstoffzellen-Stacks – nach den strengen Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen der Luftfahrtindustrie zu realisieren. Im Fokus steht die Analyse von Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen, um eine wissensbasierte Prozessführung zu ermöglichen.

Der Aufbau einer teilautomatisierten Montageinsel gewährleistet reproduzierbare Stapel- und Kompressionsschritte. Gleichzeitig werden Grundzüge für ein digital gestütztes Qualitätssicherungs- und Life-Cycle-Inventory-Konzept erarbeitet. Die Erforschung an einem realen Produkt schafft eine notwendige Grundlage für den zukünftigen Einsatz emissionsfreier Flugzeuge.

Konsortium: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, MTI der RWTH Aachen University, MTU Aero Engines AG, Zentrum für Brennstoffzellen-Technik GmbH

Der erste Schritt im Herstellungsprozess von BPPs ist das Umformen der BPP-Halbschalen. Hier liegt der Fokus auf den Titanfolien, die eine Dicke von etwa 100 µm haben. Mittels Tiefen werden durch plastische Verformungen ein Strömungsfeld und die weiteren Geometriemerkmale der BPP in die Titanfolie eingebracht.

Nach der Umformung müssen Partikel- und Filmverunreinigungen entfernt werden. Je nach Art und Grad der Verunreinigung kommen verschiedene Reinigungstechnologien infrage, darunter die nasschemische Reinigung in einem Ultraschallbad. Anschließend ist eine Trocknung mit Vakuum- oder Konvektionsöfen erforderlich.

Der Schneidevorgang umfasst den Beschnitt der BPP-Halbschale sowie der Medienports und der Strömungskanäle. In KeyTech2GreenPower wird dies mittels Laserschneiden umgesetzt, sodass ein hohes Maß an Flexibilität und Qualität ermöglicht wird. Beim Laserschneiden gilt es, eine hohe Grathöhe an Schnittkannten zu vermeiden.

Die Verbindung von zwei BPP-Halbschalen zu einer BPP erfolgt mittels Laserschweißen. Dabei muss zwischen Heft- und Dichtschweißnähten unterschieden werden. Heftschweißnähte sind für die mechanische Verbindung erforderlich und befinden sich im Strömungsfeld. Dichtschweißnähte befinden sich hingegen um die Medienanschlüsse und die Außengeometrie herum.

Die Beschichtung von BPPs ist ein notwendiger Prozessschritt, um die materialabhängige elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. In der Regel wird aufgrund der Kombination aus dem BPP-Material und den erforderlichen Beschichtungsmaterialien eine PVD-Beschichtung aufgebracht.

Die Beschichtung von BPPs ist ein notwendiger Prozessschritt, um die materialabhängige elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. In der Regel wird aufgrund der Kombination aus dem BPP-Material und den erforderlichen Beschichtungsmaterialien eine PVD-Beschichtung aufgebracht.

Zur Gewährleistung der Funktionalität im Brennstoffzellen-Stack muss eine Dichtung aufgetragen werden. Diese wird entlang der äußeren Geometrie und um die Medienports aufgetragen. Neben der Auswahl eines geeigneten Dichtungswerkstoffs ist auch der Auftragsprozess Teil des Projekts.

Das Stacken beginnt mit der Vormontage einer Endplatte und eines Stromkollektors. Anschließend werden die MEA und die BPP in einer iterativen Reihenfolge entsprechend der Anzahl der Zellen gestapelt. Im letzten Schritt des Montageprozesses werden der obere Stromkollektor und die obere Endplatte installiert. Danach werden die montierten Komponenten in einer Presse komprimiert, um die Abdichtung des Stacks und die Kompression der Dichtungen sicherzustellen. Spannbänder oder Spannstangen gewährleisten die dauerhafte Kompression der Komponenten.

Abbildung der gesamten Prozesskette

Bei der Herstellung einer BPP werden zunächst dünne Titanfolien umgeformt, sodass BPP-Halbschalen entstehen. Anschließend werden diese gereinigt, um den äußeren Beschnitt und das Trennen der Medienports vorzunehmen. Danach werden zwei BPP-Halbschalen miteinander verbunden, wodurch eine BPP entsteht. Diese wird beschichtet, um die elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.

Abschließend wird die Dichtung aufgetragen. Der erste Prozessschritt bei der Montage des Brennstoffzellen-Stacks ist das Stapeln der einzelnen Komponenten. Darauf folgt die Kompression und anschließend eine Qualitätsprüfung, um sicherzustellen, dass der Stapel in Bezug auf Dichtheit und elektrischen Kontakt funktionsfähig ist.

Kernergebnisse

Prozesskette für die Herstellung für Titan-BPPs erprobt

Montage-Insel für die Assemblierung des Brennstoffzellen-Stacks

Wissensbasierte Prozessauslegung simulativ und empirisch erprobt

Qualitätssicherungskonzept für die BPP-Prozesskette und Stack-Assemblierung

Life-Cycle-Inventory entlang der Herstellprozesskette