Stacks in Serie

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Mit einem innovativen Konzept, das unter anderem ohne Dichtungen auskommt, kann Schunk schon heute Kleinserien zuverlässiger Stacks reproduzieren. Seit Anfang des Jahres fertigt man in neuen Räumen.

11. März 2009

Der vergangene Herbst brachte für die Schunk-Gruppe einen kleinen Höhepunkt in der Unternehmensgeschichte: Die Schunk Kohlenstofftechnik GmbH (SKT) erhielt im Rahmen ihrer Entwicklungspartnerschaft mit Freudenberg Fuel Components KG und Viessmann Werke GmbH & Co. KG den begehrten ›f-cell Award in Gold‹ für Innovationen im Bereich der Brennstoffzellen (BZ)-Technologie. Schunk entwickelte dabei speziell ein aus zwei graphitischen Bipolarplatten bestehendes Kühlmodul.

Stefan Schaaf, Geschäftsführer der Schunk Bahn- und Industrietechnik GmbH (SBI) freut sich über den Erfolg des Schwesterunternehmens. Die SBI stellt komplette Stacks her, in denen Bipolarplatten von SKT Einsatz finden. »Wir haben ein Konzept, welches sich durch eine Reihe von Besonderheiten von konventionellen Stacks unterscheidet. Die Vorgehensweise, dass wir den Zellstapel zunächst ohne Dichtungen aufbauen und anschließend in einem Schritt per Harzverguss abdichten, ist ein Alleinstellungsmerkmal«.

Ein Vorteil ist, dass in Verbindung mit der externen Medienversorgung die Konstruktion der Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) und der Bipolarplatte kostengünstig ausfallen. Dies wirkt sich insbesondere auf die Preise der Zukaufteile positiv aus. Hinzu kommt, dass die Auskopplung der Wärme bei diesem Stackkonzept über die Stirnseiten der Bipolarplatten realisiert wird. Die elektrische Trennung von Stack und Kühlkreislauf erlaubt die Verwendung eines Wasser-Glykol-Gemisches als Kühlmedium.

Der Verzicht auf de-ionisiertes Wasser bringt dem Systemintegrator den Vorteil, trotz Flüssigkeitskühlung nicht auf extrem teure Edelstahlkomponenten für das thermische Management zurückgreifen zu müssen. »Letztendlich ist der Stack von seiner Philosophie konsequent auf die Verwendung kostengünstiger Komponenten ausgelegt«, fasst Schaaf zusammen.

Ein weiterer Pluspunkt ist die Modularität: Der Standard-Stack lässt sich in Schritten von 360 W bis in die 1,4-kW-Klasse durch Zusammenschalten identischer Einzel-Stacks an den Leistungsbedarf der jeweiligen Anwendung anpassen.

Keine selektiven Beschichtungen und Medienports

Eine wichtige Herausforderung an einen Stackhersteller ist die gleich bleibende Qualität. Insbesondere die Anforderung, unter Serienbedingungen mit Fertigungspersonal funktionsfähige Stacks zu produzieren, ist laut Schaaf »wirtschaftlich mit konventionellen Stackkonzepten sehr schwierig«. Hier kann er für sein Unternehmen von einem »sehr stabilen Fertigungsprozess« berichten.

Dazu tragen auch diverse Details an den Komponenten bei. So verzichtet man bei der Membrane auf selektive Beschichtungen, zusätzliche Subgaskets und spezielle Medienports. »Die einfache Konstruktion als 5-layer ist für den MEA-Lieferanten eine absolut notwendige Eigenschaft, die Konfektionierungskosten möglichst gering zu halten«, erläutert der Geschäftsführer.

Um auf der Fertigungsseite mit der Entwicklung mitzugehen, bezog der Hersteller zu Jahresbeginn neue Räumlichkeiten. Für den für die BZ-Stacks zuständigen Projektleiter Jürgen Spies trägt dies den beengten Platzsituationen der Vergangenheit Rechnung und schafft den notwendigen Raum für zukünftige Expansionen. »Die neue Fertigung ist auf eine deutlich größere Stückzahl ausgelegt. Wir haben die Anzahl der Prüfstandplätze zur Qualitätssicherung und Warenausgangskontrolle erhöht, um kommenden Bedarfen zeitnah und flexibel decken zu können«, berichtet der Projektleiter.

Die bisherigen Stückzahlen machten weitergehende Automatisierungen nicht unbedingt notwendig. Laut Spies konnte man alle Aufträge bisher mit bestehenden Anlagen und Vorrichtungen erfüllen.

Schon heute liegt die Kapazität im Einschichtbetrieb bei über 1.000 Stück pro Jahr. Auch für steigende Kundenanfragen lassen sich die Einrichtungen recht zeitnah ohne großen Entwicklungsbedarf duplizieren. Um jedoch die Kosten signifikant senken zu können, müssen die Prozesse weiter optimiert werden. Für den Projektleiter steht hier insbesondere die Standardisierung und Automatisierung im Fokus.

»Es ist wichtig, dass die Stacks alle die identische Historie haben, um die Fertigungssicherheit zu garantieren«, weiß Spies. Optimierte Abläufe bei gleich bleibend hoher Qualität der Stacks sind deshalb ein vorrangiges Ziel, das sich das Unternehmen bei der Weiterentwicklung der Fertigung gesetzt hat.

Damit bedient man auch eine weitere wichtige Marktanforderung: die Kostensenkung. »Der Status quo bei fast allen Zulieferern und Stackherstellern ist bestenfalls auf Kleinstserienniveau. Ohne drastische Steigerung der Stückzahl ist weder beim Beschaffen der Zukaufteile noch in der Stackfertigung an wesentliche Kostensenkung zu denken«, sagt Spies.

Verschiedene Leistungsklassen mit einem Konzept

Durch das Schunk-Konzept mit modularem Aufbau einer einzigen Stackgrundform seien Kunden in der Lage, verschiedene Leistungsklassen mit identischen Komponenten abzudecken. »Diese Vereinheitlichung ist sowohl für unsere Fertigung als auch die Beschaffung der Komponenten unabdingbar, um Stacks zu marktgängigen Preisen herzustellen«.

Die Einsetzbarkeit des Stacks bei mehreren Kunden in vielen verschiedenen Anwendungsfällen und Leistungsklassen hat dabei zur frühzeitigen Steigerung der Stückzahl beigetragen.

Dabei ist die Bandbreite der realisierten Applikationen groß. Sie reicht von der Sicherheitstechnik (unterbrechungsfreie Stromversorgungen), der Kleintraktion (Flurförderfahrzeuge, Elektroroller oder Vorfeld-Fahrzeuge) über die netzferne Stromversorgung (Mess systeme, mobile Kommunikationseinrichtungen oder regenerative Energiesysteme) und portable Generatoren (Camping, Freizeit oder militärische Anwendungen) bis hin zu speziellen Bordnetzen (Yachten, Wohnmobile oder Sonderfahrzeuge).

Bei vielen dieser Anwendungen ist die BZ-Technik eine neue Alternative zur Batterie. Neben der reinen Abgabeleistung sind Batterien nach der Kapazität bewertet. Das heißt, dass der Kunde nicht nur für die elektrische Leistung bezahlt, sondern vor allem für die Zeitdauer, die sie zur Verfügung stehen muss. Hier können BZ punkten, etwa bei der Häufigkeit der Wartungsintervalle und den Anforderungen an die Klimatisierung. »In der Gesamtkostenbetrachtung muss der Kunde abwägen, ob er für die geringeren Betriebskosten eine höhere Anfangsinvestition und die zusätzliche Disposition von Brennstoff in Kauf nimmt«, sagt Geschäftsführer Schaaf.

Neue Stackfamilie im kleineren Leistungsbereich

Die Herstellung einer Brennstoffzelle ist insbesondere am Anfang der Entwicklung ein kontinuierlicher Verbesserungsprozess. Ein aktuelles Arbeitspaket bei Schunk ist die Adaption des Vergussprozesses des Zellstapels auf fertiggepresste Platten. Durch die plastische Formgebung sollen die Kosten signifikant gesenkt werden. Zudem denkt man darüber nach, luftgekühlte Stacks in der bewährten Vergusstechnologie zu entwickeln, um zusätzliche Anwendungsfelder zu erschließen.

Konkret ist eine neue Produktgruppe im kleineren Leistungsbereich. Im Laufe des Jahres wird die Stackfamilie ergänzt durch zwei neue Stacks, 50 W (luftgekühlt) und 80 W (wassergekühlt). Laut Projektleiter Spies konnte man die Verfahrensparameter in vollem Umfang vom 360-W-Modul übertragen, sodass Schunk hier nur eine Anpassungsentwicklung vornehmen musste und technologisch kein Neuland betrat.

Mittelfristig will man auch Stacks für Reformat-Anwendungen in die Produktpalette aufnehmen. »Das Vergussverfahren ist adaptierbar, sodass wir hier keine grundsätzliche Neuentwicklung von Verfahren vor uns haben, sondern eher die Anpassungsarbeiten am Flowfield und in der Auslegung der Stacks«, berichtet Spies.

Interview

»Kraft auf die Straße bringen«

Stefan Schaaf, Geschäftsführer Schunk Bahn- und Industrietechnik GmbH, bewertet die Marktaussichten und die Förderpolitik.

bzm: Der Brennstoffzelle soll die Zukunft gehören. Wie schätzen Sie den Markt konkret ein?

Die für unsere Produkte relevanten Anwendungen sind in erster Linie diejenigen Bereiche, die heute noch überwiegend mit Batteriesystemen abgedeckt sind. Wir gehen jedoch eher von einer sinnvollen Ergänzungstechnologie zur Batterie als vom kompletten Ersatz derselben aus.

bzm: Wie sieht hier Ihr Businessplan für die kommenden fünf Jahre aus?

Dies ist vor allem von der Gesamtentwicklung der Brennstoffzellenbranche abhängig. Es werden in der jetzigen Phase Player benötigt, die neben der technischen Kompetenz auch die notwendige Kraft zur Markteinführung haben. Daneben gilt es, die Akzeptanz bei den potenziellen Anwendern zu erreichen, schließlich wird kein Kunde die Brennstoffzelle kaufen, weil es eine Brennstoffzelle ist. Die Kunden wollen einzig und allein die Energie zur Verfügung haben, wenn sie sie brauchen.

bzm: Die Politik unterstützt die Entwicklung der Brennstoffzelle. Wie bewerten Sie die Förderpolitik?

Eine Förderung ist insbesondere dann notwendig und sinnvoll, wenn ein Produkt zwar technisch ausgereift ist, zur Markteinführung allerdings große Investitionen erforderlich sind, um das Produkt auch kostengünstig produzieren zu können. Dies bedeutet im Falle der Brennstoffzelle etwa eine weitestgehende Automatisierung der Prozesse. Mit dem Nationalen Innovationsprogramm Wasserstoff und Brennstoffzelle werden für die gesamte Branche die Bedingungen geschaffen, die zeitliche Lücke zwischen Entwicklung der Produkte bis zu einem nennenswerten Umsatz damit zu überbrücken. Für die Brennstoffzellen ist dies zwingend notwendig, da sich entgegen früherer Prognosen die Markteinführung immer wieder verschoben hat.

bzm: Reicht dies aus? Hätte die Politik nicht früher eingreifen müssen?

Der neue Fokus von forschungsnahen Themen hin zur Unterstützung der Markteinführung ist für uns als Industrieunternehmen zwingend notwendig und setzt somit das richtige Zeichen. Im internationalen Vergleich zum Beispiel zu Japan kommen die Aktivitäten leider mit etwas Verzug, jedoch sind wir mit unserem einzigartigen Stackkonzept technologisch gut aufgestellt. Die Branche muss nun daran arbeiten, die Aktivitäten zu bündeln und die Kraft in überschaubaren Zeitskalen auf die Straße zu bringen.

bzm: Inwieweit profitiert Schunk von Fördermitteln?

Die komplette Stackentwicklung wurde bisher von uns allein mit eigenen Mitteln erbracht. Wir erhoffen uns von den kommenden Fördergeldern vor allem die Unterstützung der Systemintegratoren, die unsere Produkte einsetzen, bei breit angelegten Feldtests als erste Phase der Marktvorbereitung. Wir werden in der Fertigung die Prozessoptimierung vorantreiben. Hierbei bieten etwaige Fördermittel eine gute Unterstützung.

Erschienen in Ausgabe: 01/2009