Durchbruch zur Massenfertigung: Fraunhofer-Plattform ebnet Weg für industrielle Brennstoffzellen- und Elektrolyseurproduktion

© Fraunhofer ISE

Freiburg - Die Umstellung des Schwer- und Nutzfahrzeugsektors auf emissionsfreie Antriebe treibt das erwartete Produktionsvolumen von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren. Entscheidend ist künftig die Serienfertigung mit Skaleneffekten. Dazu soll eine neue, flexible Forschungsplattform des Fraunhofer ISE beitragen.

Die Plattform für Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) erlaubt industrielle Durchsatzraten, kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-Verfahren und integrierte Qualitätssicherung. Sie dient Herstellern und Anlagenbauern als praxisnahe Basis für Fertigungsfragen von Brennstoffzellen sowie Elektrolyseuren und unterstützt den Markthochlauf beider Technologien für die Serienfertigung.

Forschungsplattform flexibel einsetzbar
Die Produktionsforschung am Fraunhofer ISE betrachtet die gesamte Wertschöpfungskette, vom Katalysatorpulver bis hin zu einer 7-Lagen-MEA, bestehend aus zentraler Membran, Katalysatorschichten, Verstärkungsrahmen und Gasdiffusionslagen. Untersucht werden die Einflüsse von Prozessdesign, Materialien und Komponentenarchitektur auf Kosten, Qualität und Leistung der MEA. Bereits am ersten Prozessschritt analysieren die Forschenden verschiedene Mischverfahren zur Herstellung von Katalysatortinten, neue Materialien und auf das jeweilige Beschichtungsverfahren angepasste Rezepturen.

Für die weiteren Schritte – Membranbeschichtung, Trocknung der Katalysatorschicht, Applikation des Verstärkungsrahmens und Vereinzelung der Gasdiffusionslage – entwickelt das Projektteam neue hochratenfähige Produktionsverfahren und Anlagenkonzepte. Um die für den Markthochlauf erforderliche Skalierung zu erreichen, setzt das Fraunhofer ISE auf kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-Prozesse mit Zielgeschwindigkeiten von bis zu 10 Metern pro Minute.

Alle Prozesse werden in industrienahen Pilotanlagen im Wasserstoff-Technikum des Instituts erprobt. Ulf Groos, Abteilungsleiter Brennstoffzelle, erklärt: „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.“

Zentraler Prozessschritt - 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 erproben die Forschenden auch Rotationsdruckverfahren und indirekten Tiefdruck dank austauschbarer Druckeinheiten. Ziel ist, zukünftige Anforderungen strukturierter MEAs bereits heute technisch vorzubereiten und die Produktionstechnik für die Serienfertigung der Zukunft zu entwickeln. Die Pilotanlagen können sowohl für Brennstoffzellen-MEAs als auch für Elektrolyse-MEAs (Protonen-Austausch-Membran und Anionen-Austausch-Membran) genutzt werden.

Qualitätssicherung auch bei hohen Produktionsdurchsätzen
In die Anlage integrierte Messtechnologien ermöglichen eine Inline-Qualitätskontrolle, unterstützt durch umfangreiche Analytik. Projektleiterin Linda Ney erläutert: „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.“

Die gefertigten MEAs werden zudem in Brennstoffzellen unter variierenden Betriebsbedingungen auf Performance getestet, um die Qualität auch bei hohen Durchsatzraten sicherzustellen.