Hochpräzise, stabile und kostenoptimierte Fertigung
Diese Herausforderungen kennt man auch bei EKPO, einem Gemeinschaftsunternehmen von Elring Klinger und dem französischen Unternehmen Plastic Omnium. „Die BPP ist eine der entscheidenden Komponenten, die direkt die Performance und Lebensdauer des Stacks beeinflussen. Die optimale Gleichverteilung der Medien und des Kühlwassers über den Stack und in den Zellen ermöglicht maximale Leistung der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) und die sichere Kontrolle der thermischen Belastung auch bei Maximalleistung“, weiß Dr. Joachim Scherer.
Laut dem Abteilungsleiter Produktentwicklung Komponenten bei EKPO Fuel Cell Technologies macht die hohe Anzahl an Wiederholeinheiten eine hochpräzise, stabile und kostenoptimierte Fertigung der BPP unabdingbar, um die erforderliche Qualität der Stacks und zudem marktgängige Kosten zu erreichen. Durch Integration der Dichtfunktion und ein robustes Design der metallischen BPP können der Aufwand und die Taktzeiten bei der Stapelherstellung verringert und so Prüfaufwand sowie Kosten gesenkt werden.
Bei EKPO verweist man auf die Strömungssimulation (CFD) und eine auf die Finite-Elemente-Methode (FE) gestützte Designoptimierung des BPP-Designs, die eine sichere und fehlerfreie Herstellung bei unveränderten Produkteigenschaften gewährleisteten. Laut Scherer sind diese Maßnahmen notwendig, um Kontrollprozesse zu reduzieren oder zu vermeiden und gleichzeitig die Ausschussquote für jeden der bis zu zehn Fertigungsschritte auf den kleinen ppm-Bereich zu reduzieren.
„Durch robuste Verfahren in der Formgebung, beim Fügen, Beschichten und Abdichten der BPP werden die Abweichungen und Fehlermöglichkeiten in der Herstellung herabgesetzt und so Defekte vermieden, die bislang teilweise nur durch aufwändige Prüfungen am finalen Produkt aufgedeckt werden können“, gibt der Leiter der Komponentenentwicklung Einblick. Dies habe insbesondere auch Einfluss auf die Prüfkosten, die je nach Produktreife (Prototyp oder Serie) durchaus zwischen 5 bis 25 Prozent der Gesamtkosten ausmachen könnten, so Dr. Scherer.
Am Standort Dettingen, wo EKPO eine Produktionskapazität von 10.000 Stackeinheiten pro Jahr aufgebaut hat, setzt das Unternehmen bei verschiedenen Fertigungsschritten an. Neben der Fertigung der metallischen BPP vom Coil mit hochpräzisen Serienwerkzeugen im Folgeverbund und dem Fügen der dünnen Metallfolien im Hochgeschwindigkeits-Laserprozess zählt dazu auch das Prüfen der Zwischenprodukte und der verbaufertigen BPP mittels Inline-Prozesskontrolle. Außerdem werden in Stichproben Maßhaltigkeits- und Dichtheitsprüfungen entsprechend den üblichen Automotive-Prinzipien und -Anforderungen durchgeführt. Dabei sind die leitfähigen Beschichtungen entweder bereits auf den Coil oder auf die gefügte BPP aufgebracht. Auch bei der Abdichtung der Zelle setzt man auf zwei unterschiedliche Varianten: entweder mittels Seal-on-GDL-Technologie oder mit integrierter Dichtung auf der BPP.
Künftige Fertigung mit vollverketteten Produktionsanlagen
Laut Entwicklungschef Scherer fußen alle Prozesse und Technologien auf der jahrzehntelangen Erfahrung bei ElringKlinger AG/EKPO aus der Automobil-Serienfertigung. Dabei profitiere man von höchst präzisen Produkten, von der Inhouse-Fertigung von Werkzeugen sowie der Anwendung der Automotive-Qualitäts- und -Managementmethoden. Bereits durchlaufen hat man den entsprechenden Production Part Approval Process (PPAP) für den NM5-EVO-Stack, ein automotives Brennstoffzellenmodul mit bis zu 76 kW. Zudem verweist Scherer darauf, dass die Zulieferer nach automotiven Serienprozessen validiert sind. Schon heute sind bei EKPO alle Herstellprozesse für die metallische BPP weitestgehend automatisiert.
Darüber hinaus ist aufgrund der geforderten hohen Flexibilität der Fertigung in Bezug auf verschiedenste BPP-Designs und -Varianten eine weitergehende Verkettung der Einzelprozesse laut Joachim Scherer jedoch noch nicht sinnvoll. Er kündigt allerdings an, dass für die künftige Fertigung sehr hoher Stückzahlen dezidierte BPP-Linien mit vollverketteten Produktionsanlagen für einzelne Stackplattformen installiert werden.
Weiterhin berichtet der für Komponenten zuständige Produktionsleiter, dass man für einzelne Produktionsschritte bereits an innovativen Prozessen der übernächsten Generation arbeite, die eine weitere Senkung der Taktzeiten ermöglichen sollen. Diese werden für Stückzahlen von mehreren 10 Millionen BPP pro Jahr notwendig sein.
Bereits im Visier ist bei EKPO eine Hochstückzahlfertigung von über 100.000 Stacks jährlich. Dabei seien Verfahren notwendig, die eine Bauteilbearbeitung und -kontrolle in weniger als einer Sekunde erlaubten. Hier stoße man verständlicherweise an Grenzen, wie Scherer betont: „Diese bis zu 10-Hz-Fertigung stellt über das heute bekannte Maß hinaus kritische Anforderungen an Prozessgeschwindigkeit, -stabilität und -kontrolle.“ Zudem stiegen damit auch die Ansprüche an die eingesetzten Materialien und Werkzeuge.
Scherer weiß, was dies bedeutet: „In den kommenden Jahren stehen weitergehende Entwicklungen in Bezug auf geringere Materialkosten, höhere Materialqualität, verbesserte Versorgungssicherheit und effiziente Werkzeugherstellung an.“ Gefragt sind hier Optimierungsmaßnahmen des Bauteildesigns ebenso wie neue Mess- und Kontrollmethoden direkt in den Fertigungsanlagen oder eine weitere Reduzierung der zeitaufwändigen Bauteilprüfungen.
Schaeffler setzt auf funktionale Beschichtungen
Beim Automobilzulieferer Schaeffler setzt man technologisch auf das BPP-Umformen mittels Prägeverfahren. Zudem kommen funktionale Beschichtungen zum Einsatz. „Hier können wir auf unsere Kernkompetenzen zurückgreifen. So beschichten wir jährlich über eine Milliarde Bauteile für konventionelle Antriebsstränge“, erläutert der Leiter des Geschäftsbereichs Brennstoffzelle Benjamin Daniel. Aufgabe der Beschichtung einer BPP ist es, eine hohe elektrische Leitfähigkeit über die gesamte Lebensdauer aufrechtzuerhalten sowie den Übergang von Metallionen in die MEA zu verhindern. Ansonsten würden sich die Ionen mit der Zeit sowohl an dem aktiven Katalysatormaterial als auch an den Protonen-Durchtrittsstellen der Membran anlagern.
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