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Premiere aus dem Siegerland

Premiere aus dem Siegerland

Sie ist ein kleines Wunder deutscher Ingenieurskunst, die Graebener „PowerBoxx“, mit der erstmals metallische Bipolarplatten industriell in Serie gefertigt werden können. bbr war bei der Weltpremiere dabei.

09. Juni 2006

Um die Entwicklung der Graebener Group aus Netphen-Werthenbach in Südwestfalen richtig würdigen zu können, bedarf es eines kurzen Blicks in die Zukunft - die Zukunft regenerativer Energieversorgung. Hier hat eine Entwicklung eine wachsende Bedeutung - die Brennstoffzelle, in der sich durch die kontrollierte Reak­tion von Sauerstoff mit Wasserstoff elektrische Energie erzeugen lässt.

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„Seit Jahrzehnten forscht die Automobilindustrie an der Brennstoffzellentechnologie. Jetzt nähern sich erste Fahrzeuge der Marktreife. Experten schätzen, dass in circa 20 Jahren 20-25?% aller Neufahrzeuge Brennstoffzellenantriebe besitzen“, erläuterte Unternehmensleiter Dr. rer. pol. Theodor R. Gräbener am 24. Februar dieses Jahres vor den zahlreichen Gästen der Landes- und Bundespolitik sowie den Chef-Technikern und Ingenieuren der Automobilindustrie in den Hallen der Graebener Maschinentechnik. Dass bereits in drei bis vier Jahren beispielsweise Honda ein Serienfahrzeug auf den Markt bringen will, unterstreicht das Gesagte. Doch die Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie beschränkt sich nicht alleine auf Fahrzeugantriebe. Grundsätzlich ist der Einsatz von Brennstoffzellen bei Klein- und Kleinstverbrauchern eben­so möglich wie bei großen Kraftwerken. Der Hauptgrund für diese universelle Einsatzfähigkeit ist der modulare Aufbau der Brennstoffzelle.

Metall statt Grafit

In jeder PEM-Brennstoffzelle (Polymer-Electrolyt-Membran) sind so genannte Bipolarplatten angeordnet, zwischen denen Membrane eingespannt sind. Mehrere Bipolarplatten mit eingespannten Membranen bilden die so genannten Stacks. Bei den Bipolarplatten kommt es unter anderem auf die absolute Dichtigkeit des Systems an. Die Bipolarplatten werden in der Regel aus gefrästem oder gegossenem Grafit gefertigt. Seit dem Jahre 2002 arbeitet die Graebener-Group im Rahmen eines Entwicklungsvorhabens im „Kompetenznetzwerk Brennstoffzelle und Wasserstoff NRW“ an einer innovativen Fertigungsmethode für metallische Bipolarplatten, um eine praktikable, wirtschaftliche Lösung zu finden. Nun konnten sich die beiden Graebener-Geschäftsführer, Dr. Theodor Gräbener und Dieter Kapp freuen, das Unternehmen „metallische Bipolarplatte“ mit einem Investitionsvolumen von knapp 2 Millionen Euro, mit der Fertigungskapazität PowerBoxx zu einem vorläufigen Ende gebracht zu haben.

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Bald schon Massenware?

Die kompakte Hydroforming-Presse arbeitet mit einer Gegenhalte- und Dichtkraft von 6.500 Tonnen und kann je nach Plattenformat bis zu neun Bipolarplatten in einem einzigen Formvorgang herstellen. „Damit kommt das weltweite Bemühen, ein für die Serienfertigung der Bipolarplatten kostengünstiges Verfahren zu finden, zu einem ersten Abschluss“, so Dr. Gräbener. Mit der Graebener-Technologie lassen sich die metallischen Bipolarplatten nun mit deutlich niedrigeren Fertigungskosten in Massen fertigen. Doch nicht nur wirtschaftliche Gründe sprechen für Metall statt Grafit. Wenn man bedenkt, wie schnell Grafit bricht, dann scheiden Brennstoffzellen dieser Art, für Fahrzeuge eher aus, wo ständige mechanische Belastungen wie etwa Vibrationen auszuhalten sind. Zudem können Brennstoffzellen mit metallischen Bipolarplatten wesentlich schlanker, sprich kleiner, gebaut werden - ohne Leistungsverlust. Im Gegenteil, die PEM-Brennstoffzellen mit metallischen Bipolarplatten laufen zudem äußerst stabil, wie erste Tests an der FH Gelsenkirchen zeigten. Prof. Dr. Michael Brodmann, Direktor des Energieinstituts der FH ist mit dem bisher Erreichten äußerst zufrieden. Neben den besagten Gewichtsvorteilen und der mechanischen Stabilität präsentierte sich die PEM-Brennstoffzelle in Metallausführung im ersten 300-Stunden-Probelauf mit einem überraschend stabilen Lauf. Zudem erzielte man sogleich einen hohen Wirkungsgrad. Die Metallplatten sind im Übrigen nur etwa 0,1 mm dick mit Kanaltiefen von 0,8 mm und Radien von lediglich 0,25 mm. Die Toleranzen betragen 0,03 mm. Das so genannte Flowfield der Bipolarplatten wurde durch den Kooperationspartner vorgegeben.

Die Boxx für mehr Power

Wenn man die Unternehmensgeschichte der Graebener-Group betrachtet, dann kommt die Entwicklung dem Phönix gleich, der einst aus der Asche stieg. 1997 hatte das Unternehmen seine Großrohrproduktion aufgegeben. „Damals stand ich in leeren Hallen und fragte mich, ob jemals wieder mehr als zwölf Mann hier arbeiten würden“, so Dr. Theodor R. Gräbener. Der Aufbau der Graebener-Group, des 1921 gegründeten Unternehmens, begann wieder am Nullpunkt. Heute, knapp neun Jahre später, erzielen die 320 Mitarbeitern der Gruppe (davon 260 Techniker und Ingenieure) mit ihren acht Unternehmen einen Umsatz von knapp über 70 Mio. €. Zur Brennstoffzellentechno­logie und hier insbesondere zur Fertigung der metallischen Bipolarplatten kam Gräbener durch die systematische Beantwortung der Zukunftsfrage: „Wie kann das spezifische Know-how der Verbundfirmen in der Konstruktionstechnik, der Elektrotechnik und Hydraulik, dem Hydroforming und der Werkzeugtechnologie zielgerichtet auf neue Produkte kombiniert und ausgerichtet werden?“ Die PowerBoxx ist eine ingenieurtechnische Meisterleistung. Trotz ihrer Kraft von 65.000 kN wiegt sie lediglich 37 Tonnen, ist 2.500 mm hoch, 3.000 mm breit und nur unwesentlich tiefer. »Dies liegt an der Bauweise unserer Hydroforming-Presse, mit der vorgespannten Rahmenkonstruktion«, so Dr. Gräbener.

Für Serien und Prototyping

„Unsere Anlage fertigt bei manuellem Einlegen mit 3,6 Hüben pro Minute; automatisiert, direkt vom Coil, sind bis zu 7,5 Hübe möglich. So ließen sich im Jahr im Dreischichtbetrieb auf ihr 2,3 Millionen metallische Bipolarplatten fertigen. Wenn wir davon ausgehen, dass die Prognosen stimmen, dass der Jahresbedarf in Zukunft bei 4,8 bis 6 Milliarden Platten liegen wird, dann wären das 2.000 bis 2.600 Power Boxx-Produktionseinheiten“, erklärt Dr. Gräbener den Anwesenden. Zu Grunde gelegt, dass für einen automobilen Brennstoffantrieb mit 80 kW Dauerleistung, 200 Zellen à zwei Bipolarplatten (also 400 Bipolarplatten pro Antriebseinheit) notwendig sind, dürfte die Auslastung der PowerBoxx mittelfristig gesichert sein. Die vorgestellte Anlage wird nicht verkauft. Die erste PowerBoxx wird im zukünftigen Entwicklungszentrum der Graebener Group stehen und für Kunden fertigen. »Brennstoffzellenkunden können bei uns dann in Serie fertigen lassen. Zudem können wir mit vorgegebenen, unterschiedlichen Flowfields aus unterschiedlichen Materialien Prototypen realisieren«, so Dr. Gräbener. Auch den Aufbau kompletter Stacks inklusive dem Test im Graebenereigenen Prüffeld konnte der Geschäftsführer seinen potenziellen Kunden bereits in Aussicht stellen.

Kasten Know-howDie PowerBoxx in Zahlen

Schliesskraft _ 65.000 kN

Arbeitshub _ 15 mm

Werkzeugwirkfläche _ 600 x 600 mm (800 x 800 mm möglich)

Investitionsvolumen _ 70 % unter Säulenpressen

Systemgewicht _ 37 Tonnen

Abmessungen der Produktionseinheit ohne

Aggregate _ H x B x T = 2.500 x 3.000 x 3.000 mm

Hubzahlen _ 3,6 Hub/min bei manuellem Einlegen,

7,5 Hub/min in automatisierter Version

BackgroundDie Graebener Group

Geschäftsführer _ Dr. Theodor R. Gräbener und Dieter Kapp

Mitarbeiter _ 320

Geschäftsbereiche _ Hydraulik/Elektrotechnik, Frästechnik, Umformtechnik, Industrietechnik.

Produkte _ Rohrwerkstechnik für längsnahtgeschweißte Großrohre und Spiralrohrtechnik, Hydroforming-Pressen, Warmumformpressen

Gruppen-Umsatz _ 70 Mio. Euro

Erschienen in Ausgabe: 06/2006