Schaeffler innoveert met nieuwe brandstofcel

Iedereen heeft het wel over batterij-elektrische voertuigen, maar de ontwikkeling van de brandstofcel staat ook zeker niet stil. Schaeffler heeft nu brandstofcellen met nieuwe metalen bipolaire platen ontwikkeld met een vermogensdichtheid die 20 procent hoger ligt dan de vorige generatie.

De door Schaeffler ontwikkelde platen hebben een nieuw ontwerp dat geoptimaliseerd is voor productie in grote series en maken gebruik van een innovatief coatingproces voor een lange levensduur van de brandstofcel. Bovendien bereiken stacks op basis van de nieuwe Schaeffler-platen een ongeveer 20 procent hogere vermogensdichtheid dan stacks op basis van platen van de vorige generatie. “Ook op het gebied van aandrijfsystemen voor bedrijfswagens investeert Schaeffler in waterstof, met name voor langeafstandstoepassingen. Wij ontwikkelen zowel afzonderlijke componenten als complete subsystemen voor brandstofcellen en bereiden ons voor op hun volledige industrialisatie”, aldus Matthias Zink, CEO Automotive Technologies bij Schaeffler AG. In een speciaal gebouwde proeffabriek in Herzogenaurach produceert de onderneming nu de nieuwe platen in series tot enkele tienduizenden stuks voor gebruik door internationale voertuigfabrikanten in de prototype- en kleine serieproductie. De volledig geautomatiseerde installatie maakt deel uit van Schaeffler’s center of excellence voor waterstof, een complex dat ook een uitgebreide reeks testapparatuur omvat. De faciliteit is zo ontworpen dat deze ook gebruikt kan worden voor de productie van grote platen van het type dat gebruikt wordt voor elektrolyzers. Zo zorgt Schaeffler voor een duurzame beweging en een duurzame levering van groene waterstof. Dankzij haar systeemexpertise is Schaeffler ook in staat om samen met klanten bipolaire platen en componenten voor brandstofcelsystemen op maat te ontwikkelen. Begin 2024 start Schaeffler in het Franse Haguenau met de productie van bipolaire platen onder de naam Innoplate, een joint venture met Symbio.

Nieuw plaatontwerp voor hogere vermogensdichtheid

Voor het ongetrainde oog stellen bipolaire platen niet veel voor, ze zijn slechts ongeveer zo groot als een DIN A4-envelop en wegen slechts 60 gram. Maar het zijn kerncomponenten van brandstofcellen, waar ze een aantal vitale functies vervullen, zoals het bieden van kanalen voor zowel de scheiding en distributie van de procesgassen en koelvloeistof als voor de afvoer van het water dat vrijkomt bij de chemische reactie. “Schaeffler heeft een innovatief ontwerp ontwikkeld dat optimaal gebruik maakt van het plaatoppervlak”, aldus Dr. Jochen Schröder, Schaeffler hoofd E-Mobility. “Hoe fijner en preciezer de structuren op de bipolaire plaat, hoe efficiënter de plaat is.” De nieuwe platen van Schaeffler maken een vermogensdichtheid van de brandstofcelstapel mogelijk van 4,6 kW per liter brandstofcelvolume (inclusief eindplaten en compressiehardware).

Voor voertuigtoepassingen worden honderden van deze platen op elkaar gestapeld, elk gescheiden door een membraanelektrode-assemblage (MEA), om een stapel te vormen. De platen nemen tot 80 procent van het gewicht en tot 65 procent van het volume van de stapel voor hun rekening. Stapels met maximaal 400 van deze celeenheden hebben een totaal vermogen tot 140 kW – genoeg voor lichte bedrijfsvoertuigen. Zware bedrijfsvoertuigen tot 40 ton hebben meestal twee stapels nodig.

Productie op industriële schaal

Ook de nieuwe generatie bipolaire platen van Schaeffler is vanaf de basis ontworpen voor industrialisatie op grote schaal – een aanpak die bekend staat als design for manufacturing (DFM). Het doel is om een productieniveau te bereiken dat qua rendabiliteit en schaalbaarheid voldoende is voor een marktdoorbraak van de waterstofaangedreven mobiliteit. Op het gebied van productie maakt het bedrijf gebruik van zijn jarenlange ervaring en expertise in het stansen en vormen van metaal en heeft het de hoge mate van precisie bereikt die nodig is om de benodigde ultrafijne structuren op het oppervlak van de platen te stansen, die slechts 50 tot 100 micrometer dik zijn.

Een andere unieke eigenschap van de metalen bipolaire platen van Schaeffler is het gebruikte coatingsysteem. Het doel van coatings is om gedurende de gehele levensduur van de brandstofcel een hoge elektrische geleidbaarheid te behouden. De oplossing van Schaeffler is “Enertect” – een speciaal voor bipolaire platen ontwikkelde familie van hoogwaardige coatingsystemen. Afhankelijk van de eisen van de klant kunnen de coatings worden ontworpen voor een maximale levensduur van de platen, een minimale CO2-voetafdruk of een geoptimaliseerde prijs-prestatieverhouding. “Dankzij onze capaciteiten op het gebied van oppervlaktetechnologie kunnen we elke klant een toepassingsspecifieke coatingoplossing bieden. Dit betekent dat we aan de eisen van elke klant kunnen voldoen wat betreft de balans tussen kosten, prestaties en productiegerelateerde CO2-uitstoot,” aldus Jochen Schröder. De coatings worden aangebracht met behulp van een speciaal aangepaste en verfijnde versie van het Physical Vapor Deposition (PVD) proces dat Schaeffler in de loop der jaren met succes heeft toegepast bij de productie van miljoenen en miljoenen zwaar belaste kleppentreincomponenten. En om brandstofcellen gas- en waterdicht te maken – vanuit kwaliteits- en veiligheidsoogpunt van levensbelang – maakt Schaeffler gebruik van spuitgiet- of zeefdrukafdichtingen of, afhankelijk van de behoefte, van een speciaal laserlasproces dat in eigen huis werd ontwikkeld.