gesponsertWasserstoff-Mobilität Vorreiter bei der Brennstoffzelle

Die wasserstoffbasierte Mobilität wird so dringend benötigt wie noch nie. Der Zulieferer Elring Klinger investiert schon seit 20 Jahren in diese Technik. Das Joint Venture EKPO Fuel Cell Technologies kann heute bis zu 10.000 Brennstoffzellenstacks jährlich nach Automotive-Standards fertigen.

Im März 2021 schlossen sich die beiden renommierten Lieferanten Elring Klinger (Brennstoffzellenstacks und Komponenten) und Plastic Omnium (Wasserstofftanks und Gesamtintegration) in der Brennstoffzellentechnik zusammen. Ihr Ziel: die Entwicklung der Wasserstoffmobilität zu beschleunigen. Am Joint Venture EKPO Fuel Cell Technologies GmbH hält Elring Klinger 60 Prozent der Anteile, Plastic Omnium 40 Prozent. Aktuell fertigt EKPO bereits erste Brennstoffzellenstacks inklusive Medienschnittstelle nach Automotive-Standards und beliefert erste Serienkunden.

„Durch die langjährige Entwicklungskompetenz bei unserer Muttergesellschaft Elring Klinger haben wir uns viele Fertigkeiten und ein großes Know-how angeeignet. Deshalb sind wir heute schon auf einem industrialisierten Niveau, das andere erst noch erreichen müssen“, erläutert Gernot Stellberger.

Er ist einer der zwei Geschäftsführer von EKPO und unter anderem verantwortlich für die Strategie und Vorentwicklung: „Unser Vorteil ist, dass wir jetzt zum richtigen Zeitpunkt die richtigen Produkte marktreif anbieten können. Wir werden unseren Umsatz mit Komponenten und Brennstoffzellenstacks stetig steigern und rechnen im Jahr 2030 mit einem Umsatz zwischen 700 Millionen und einer Milliarde Euro.“

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Modulare Lösungen

Diese optimistische Einschätzung beruht auf dem großen Interesse an der umweltfreundlichen Antriebslösung von EKPO. Schon heute fertigt EKPO am Standort Dettingen/Erms erste Serien des Brennstoffzellenstacks NM5-Evo. Dieser Stack entwickelt mit 71 bis 335 Zellen eine Leistung von 10 bis 76 Kilowatt. Er trieb bereits während der Olympischen Winterspiele 2022 in Peking
Shuttle-Fahrzeuge an und zeichnete sich selbst bei sehr tiefen Temperaturen durch gute Kaltstarteigenschaften aus. Eine weitere Serienanwendung befindet sich in einem leichteren Lkw, der in Kooperation mit dem Systemintegrator AEDS motorisiert wird.

Ferner wird der Brennstoffzellenstack NM5-Evo ab Ende 2022 als Hilfsaggregat (Auxiliary Power Unit, APU) in schweren Pilot-Lkw von DAF im Rahmen des öffentlich geförderten Programms „H2Haul“ zum Einsatz kommen sowie ab 2023 als Energielieferant für einen Linienbus des französischen Herstellers Safran. Ebenfalls 2023 wird EKPO seinen aktuellen Highend-Stack NM12 Twin (2 x 299 Zellen, 204 Kilowatt Leistung) erstmals in einem Buggy bei der Rallye Paris-Dakar unter härtesten Einsatzbedingungen testen. Leistungsmäßig dazwischen ist ein drittes serienreifes Modul angesiedelt: Der NM12-Stack entwickelt mit seinen bis zu 359 Zellen eine Leistung von 70 bis 140 Kilowatt.

„Die Brennstoffzellenstacks NM5-Evo und NM12 Twin wecken auch bereits im Marinesektor großes Interesse“, berichtet Gernot Stellberger. „Erste Serienanwendungen des NM5-Evo in Wassertaxis im Rotterdamer Hafen verlaufen sehr positiv.“ Das leistungsstarke Modul NM12 Twin ist als APU für Kreuzfahrtschiffe in Entwicklung, die im sogenannten „Hotelling“ eine emissionsarme Energiequelle benötigen. Ebenso soll es, in Reihe geschaltet und dann in Summe mehrere Megawatt stark, elektrische Energie für verschiedene Nutzungsszenarien von Frachtern und Kreuzfahrtschiffen liefern; entsprechende Projekte von EKPO mit Partnern sind in Planung.

Zu Lande, zu Wasser und in der Luft

Weitere Einsatzgebiete für die Brennstoffzellenstacks von EKPO sind Lokomotiven und stationäre Anwendungen wie etwa als Backup-Energieversorgung von Serverzentren, Kliniken oder Flughäfen. Ein Meilenstein ist das im Jahr 2020 vereinbarte Joint Venture von Elring Klinger mit Airbus. Es sieht die Entwicklung und Fertigung entsprechender Stacks seitens EKPO für künftige Airbus-Flottenmodelle vor. Zeithorizont für die Serieneinführung ist 2030 bis 2035.

Eine Stufe unterhalb der Stackebene ist EKPO im Komponentengeschäft ebenfalls erfolgreich. So hat man erst kürzlich einen Serienauftrag über die Entwicklung und Lieferung von Prototypen-Bipolarplatten bei einem renommierten europäischen Automobilhersteller gewonnen. „Wir profitieren dabei von den marktführenden Metallbearbeitungskompetenzen der Muttergesellschaft Elring Klinger“, erläutert EKPO-Geschäftsführer Stefan Schmid, verantwortlich für die Geschäftsbereiche Produktion, IT, Qualitäts- und Nachhaltigkeitsmanagement.

Diese Kompetenz kommt auch bei der Entwicklung der End- und Medienmodule zum Tragen, die als Schnittstelle zwischen dem Zellstack sowie der Stackperipherie und Systemfunktionalitäten fungieren. Sie enthalten zum Beispiel Sensoren, Ventile, Kühlkanäle und sind standardisierte Schnittstellen zu den externen Medienkreisläufen von Wasserstoff und Luft sowie zum elektrischen Netz. Die End- und Medienmodule in Verbindung mit der Verspannungstechnik stellen außerdem dauerhaft einen homogenen Anpressdruck über die gesamte Zellfläche für die Stacks sicher.

Hochpräzise Volumenfertigung

Technisch zeichnen sich die Brennstoffzellenstacks von EKPO vor allem durch ihre im Markt bisher höchste Leistungsdichte aus. Dieser Wettbewerbsvorteil beruht unter anderem auf dem eingebrachten Know-how von Elring Klinger aus dem Bereich der Zylinderkopfdichtung, das EKPO auf die Herstellung und Bearbeitung von Bipolarplatten für Brennstoffzellenstacks übertragen hat.

Beispielsweise kann EKPO in Dettingen jährlich etwa 3 Millionen Bipolarplatten-Einheiten (BPE) stanzen, prägen und fügen, mit minimalen Toleranzen von wenigen Mikrometern. Jede dieser BPEs erhält dann per Laser etwa 1,5 Meter Dichtschweißnähte. Die Bipolarplatten-Einheit in Kombination mit der sogenannten Membran-Elektroden-Einheit (MEA) ergibt dann eine sogenannte Einzelzelle. Jede dieser Einzelzellen besteht damit aus zehn Mikrometer dünnen katalysatorbeschichteten Membranen, Bipolarplatten mit knapp einem Millimeter Bauhöhe und filigranen Gasverteilerstrukturen plus den Gasdiffusionslagen aus porösem Kohlefaservlies. Stefan Schmid: „Durch diese besonders präzise Bearbeitung der BPEs und deren Kanalstrukturen mit großserientauglichen Folgeverbund-Werkzeugen können wir sicherstellen, dass ein maximaler Oberflächenanteil der MEAs direkt mit Wasserstoff beaufschlagt und so eine besonders hohe Leistungsdichte erzielt wird.“

Anschließend wird jede BPE auf ihre Leitfähigkeit und Dichtheit geprüft. Auch die „Verheiratung“ der Platten mit MEAs zu einem Stack wird zu 100 Prozent überwacht und dokumentiert. Für das Testing stehen in der Werkhalle in Dettingen 16 Prüfstände bereit, die Brennstoffzellenstacks mit bis zu 230 Kilowatt Leistung testen können. Die bei den Tests generierte elektrische Leistung wird dabei entweder selbst genutzt oder ins öffentliche Netz eingespeist.

Technologieführer mit globalem Footprint

EKPO ist nach eigenen Angaben derzeit eines von ganz wenigen Unternehmen im Markt, das die ganze Prozesskette beherrscht: von der Vorverarbeitung der Rohmaterialien, der Vormontage, Stackmontage und Stapelkomprimierung über die Endmontage bis hin zu End-of-Line-Tests. Während diese Prozesse bei EKPO für die bis zu 10.000 Stacks pro Jahr nach Automotive-Standards und zu einem Großteil bereits automatisiert erfolgen, fertigen die meisten Wettbewerber heute noch manuell oder mit nur geringem Automatisierungsgrad maximal
1.000 Stacks pro Jahr. Und EKPO peilt schon die nächste Stufe an: In wenigen Jahren soll die Produktion auf vollautomatisierten Linien erfolgen und bis zu 100.000 Brennstoffzellenstacks pro Jahr umfassen. Ziel ist, sich unter den Top-3-Lieferanten im Markt zu etablieren.

Die Hochskalierung der Fertigung wird nicht nur in der Leitregion Europa erfolgen, sondern auch rasch nach China und Amerika ausgerollt. „In den letzten Monaten wurde die EKPO China gegründet, und im Elring-Klinger-Werk Suzhou befindet sich eine Fertigungslinie im Aufbau, die noch 2022 die ersten Stacks produzieren soll“, blickt Gernot Stellberger voraus.

Um diesen Vorsprung zu halten, ist EKPO zusätzlich in Forschungsprojekten engagiert: etwa dem Gemeinschaftsprojekt „HyFab“ in Ulm, das innovative Materialien, Komponenten, Fertigungsprozesse sowie Test- und Qualitätssicherungsverfahren für Brennstoffzellenstacks erforschen soll. Oder beim EU-Projekt „BEST4Hy“, wo EKPO für seinen Beitrag zur Anpassung und Neuentwicklung von Recycling-Technologien für Brennstoffzellenstacks mit einem Preis ausgezeichnet wurde.

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