Innovative Produktionsverfahren für das Herzstück von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren

(WK-intern) – Die Umstellung des Schwer- und Nutzfahrzeugsektors auf emissionsfreie Antriebe treibt das erwartete Produktionsvolumen von Brennstoffzellen.

Gleichzeitig gewinnt die Elektrolyse als Baustein für eine emissionsarme Energiewirtschaft an Bedeutung.

Für den Markthochlauf beider Technologien sind neue Produktionsmethoden nötig. Das Fraunhofer ISE hat eine flexible Forschungsplattform für Produktionsforschung an Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) entwickelt, die Komponentenherstellern sowie Maschinen- und Anlagenbauern für Produktionsfragen in diesen Technologien zur Verfügung steht. Im Mittel-punkt stehen innovative, kontinuierliche Prozesse, die hohe Durchsatzraten und Kostensenkungen ermöglichen, wie bzw. Rolle-zu-Rolle. Die Produktionsforschung betrachtet dabei die gesamte Wertschöpfungskette einschließlich der Qualitätskontrolle.

Getrieben durch die Forderungen nach einem emissionsfreien Schwer- und Nutzlast-verkehr investieren Lkw-Hersteller derzeit stark in Antriebe mit Brennstoffzellen. Das erwartete Produktionsvolumen für das elektrochemische Herzstück der Brennstoffzelle, die Membran-Elektroden-Einheit (MEA), liegt für 20.000 LKW bei 1,2 Mio. m² aktiver MEA-Fläche jährlich (d.h. 30 m² Membran- und 60 m² Katalysatorschicht pro Fahrzeug). Für den Elektrolysehochlauf werden pro Gigawatt Zubau 25.000 bis 35.000 m² katalysatorbeschichtete Membran benötigt. Diese Mengen sind mit heutigen Herstellungsverfahren jedoch nicht erreichbar. Für den erwarteten Markthochlauf müssen bestehende Anlagenkonzepte angepasst und skalierungsfähige Produktionsmethoden entwickelt werden.

Forschungsplattform flexibel einsetzbar

Die Produktionsforschung am Fraunhofer ISE betrachtet die gesamte Wertschöpfungskette, vom Katalysatorpulver bis hin zu einer 7-Lagen-MEA, die aus einer zentralen Membran und je zwei Katalysatorschichten, Verstärkungsrahmen und Gasdiffusionslagen besteht. Untersucht werden die Einflüsse von Prozessdesign und -parametern, Materialien und Komponentenarchitektur auf Kosten, Qualität und Leistung der MEA. Dabei setzen die Forschenden des Fraunhofer ISE bereits am ersten Prozessschritt an, indem sie verschiedene Mischverfahren zur Herstellung von Katalysatortinten, neue Materialien oder an die jeweilige Beschichtungsmethode angepasste Rezepturen untersuchen.

Für die weiteren Produktionsschritte von Membranbeschichtung und Trocknung der Katalysatorschicht, Applikation des Verstärkungsrahmens bis hin zur Vereinzelung der Gasdiffusionslage entwickelt das Projektteam neue hochratenfähige Produktionsverfahren und Anlagenkonzepte. Um die für den Markthochlauf notwendige Skalierung zu erreichen, setzt das Fraunhofer ISE auf kontinuierliche Rolle-zu Rolle-Prozesse. Ziel ist, eine Durchlaufgeschwindigkeit von 10 Metern pro Minute zu realisieren, ein Wert, mit dem die Industrie gut umgehen kann.

Die komplette Produktionskette wird in industrienahen Pilotanlagen im Wasserstoff-Technikum des Fraunhofer ISE erprobt. »Wir sind das weltweit einzige Forschungsinstitut, das Produktionsanlagen in industriellem Maßstab inklusive Mikrostrukturanalyse und Charakterisierung von MEAs im Teststand zur Verfügung hat, was einen schnellen Transfer aus dem Labor in die Fertigung erlaubt«, erklärt Ulf Groos, Abteilungsleiter Brennstoffzelle am Fraunhofer ISE.

Druckverfahren von Übermorgen

Ein zentraler Prozessschritt ist die Herstellung der Katalysatorschichten, die entweder auf eine Transferfolie oder direkt auf die Membran aufgedruckt werden. Neben dem bewährten Schlitzdüsenverfahren können die Forschenden des Fraunhofer dank austauschbarer Druckeinheiten auch Rotationsdruckverfahren oder indirekten Tiefdruck erproben. Insbesondere sollen zukünftig zu erwartende Anforderungen hinsichtlich strukturierter MEAs durch neuartige Produktionsprozesse ermöglicht werden und somit die Produktionstechnik von Übermorgen vorbereitet werden. Neben der Produktionsforschung für Brennstoffzellen-MEAs können die Pilotanlagen auch für die Elektrolyse-MEAs (Protonen-Austausch-Membran und Anionen-Austausch-Membran) genutzt werden.

Qualitätssicherung auch bei hohen Produktionsdurchsätzen

In die Anlage integrierte Messtechnologien sorgen für eine inline Qualitätskontrolle, zudem steht eine umfangreiche Analytik zur Verfügung. »Trotz des durchlaufenden Prozesses können wir Veränderungen im Produktionsprozess und deren Auswirkungen auf spätere Prozessschritte oder die Produktqualität nachvollziehen. Wir nutzen dafür ein Track & Trace-System, das regelmäßig Markierungen an den Produkten setzt«, erläutert Projektleiterin Linda Ney vom Fraunhofer ISE. Die auf der Pilotanlage prozessierten MEAs werden zudem in Brennstoffzellen unter variierenden Betriebsbedingungen auf ihre Performance hin getestet.

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
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PM: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE