Membran-Elektroden-Einheit Pilotfertigung für Brennstoffzellen und Elektrolyseure

Brennstoffzellen und Elektrolyseure benötigen Membran-Elektroden-Einheiten. Am Fraunhofer ISE steht eine Pilotanlage zur Prozessentwicklung – auch für Komponentenhersteller und Maschinen- und Anlagenbauer.

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat eine flexible Forschungsplattform für die Produktion von Membran-Elektroden-Einheiten, die sogenannten MEAs, entwickelt. Komponentenhersteller und Maschinen- und Anlagenbauer können die Anlage laut des Instituts für ihre Tests verwenden. Konkret geht es um Prozesse, die bei höheren Durchsatzraten die Kosten senken sollen. Dazu zählt das Rolle-zu-Rolle-Verfahren.

Mit der Produktionsforschung betrachten die Forscherinnen und Forscher die gesamte Wertschöpfungskette: vom Katalysatorpulver bis zu einer 7-Lagen-MEA. Diese besteht aus einer zentralen Membran und je zwei Katalysatorschichten, Verstärkungsrahmen und Gasdiffusionslagen. Die Forscher prüfen die Einflüsse von Prozessdesign und -parametern, Materialien und Komponentenarchitektur auf Kosten, Qualität und Leistung der MEA.

Das testet das Projektteam

Das heißt konkret: Sie untersuchen Mischverfahren für Katalysatortinten, neue Materialien oder an die jeweilige Beschichtungsmethode angepasste Rezepturen. Danach folgen während der Fertigung die Membranbeschichtung und Trocknung der Katalysatorschicht, der Verstärkungsrahmen wird appliziert und die Gasdiffusionsanlage vereinzelt. Für diese Schritte entwickelt das Projektteam laut einer Mitteilung des Instituts neue hochratenfähige Produktionsverfahren und Anlagenkonzepte.

Die für den Markthochlauf notwendige Skalierung wollen die Forscher mittels kontinuierlicher Rolle-zu Rolle-Prozesse erreichen. Das Ziel ist eine Durchlaufgeschwindigkeit von zehn Metern pro Minute, „ein Wert, mit dem die Industrie gut umgehen kann“, beschreibt das Institut. Die Produktionskette erprobt das Projektteam in industrienahen Pilotanlagen im Wasserstoff-Technikum des Fraunhofer ISE in Freiburg.

Das leistet die Pilotanlage technisch

Die Katalysatorschichten werden auf eine Transferfolie oder auf die Membran gedruckt. Bewährt ist das sogenannte Schlitzdüsenverfahren. Mittels tauschbarer Druckeinheiten können die Forscher außerdem das Rotationsdruckverfahren oder indirekten Tiefdruck testen. Ein Ziel des Projektteams: kommende Anforderungen hinsichtlich strukturierter MEAs mittels neuartiger Produktionsprozesse ermöglichen. Neben der Produktionsforschung für Brennstoffzellen-MEAs eignet sich die Pilotanlagen auch für Versuche zu Elektrolyse-MEAs, also Protonen-Austausch-Membranen und Anionen-Austausch-Membranen.

Die auf der Pilotanlage prozessierten MEAs testen die Forscher in Brennstoffzellen unter variierenden Betriebsbedingungen. In die Anlage integrierte Messtechnik ermöglicht eine Inline-Qualitätskontrolle. „Trotz des durchlaufenden Prozesses können wir Veränderungen im Produktionsprozess und deren Auswirkungen auf spätere Prozessschritte oder die Produktqualität nachvollziehen“, erklärt Projektleiterin Linda Ney. „Wir nutzen dafür ein Track & Trace-System, das regelmäßig Markierungen an den Produkten setzt“.

Hintergrund zum Pilotprojekt

Als Grund für das Projekt nennt das Fraunhofer ISE Forderungen nach einem emissionsfreien Schwer- und Nutzlastverkehr und entsprechende Investitionen von Lkw-Herstellern in Brennstoffzellenantriebe. Das erwartete Produktionsvolumen für die Membran-Elektroden-Einheit beziffert das Institut für 20.000 Lkw auf 1,2 Millionen Quadratmeter aktiver MEA-Fläche jährlich. Konkret: 30 Quadratmeter Membran- und 60 Quadratmeter Katalysatorschicht pro Fahrzeug.

Für den Elektrolysehochlauf prognostiziert das Institut pro Gigawatt Zubau einen Bedarf von 25.000 bis 35.000 Quadratmetern katalysatorbeschichteter Membran – zu viel für heutige Herstellverfahren.