Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) hat eine flexible Forschungsplattform zur Produktion von Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) in Betrieb genommen. Die Anlage steht Komponentenherstellern sowie Maschinen- und Anlagenbauern zur Verfügung und soll die Entwicklung skalierbarer Produktionsverfahren für den Markthochlauf von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren unterstützen.
Im Fokus stehen kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-Prozesse, mit denen Durchlaufgeschwindigkeiten von bis zu zehn Metern pro Minute erreicht werden sollen. Diese Geschwindigkeit gilt laut Fraunhofer ISE als industrienah und notwendig, um die erwarteten Produktionsvolumina zu bewältigen.
Forschung entlang der gesamten Wertschöpfungskette
Der Bedarf an MEAs steigt insbesondere durch die Elektrifizierung des Schwerlastverkehrs. Für 20.000 Brennstoffzellen-Lkw wird ein jährlicher Bedarf von rund 1,2 Millionen Quadratmetern aktiver MEA-Fläche erwartet. Auch für den Ausbau der Elektrolysekapazitäten sind große Mengen erforderlich: Pro Gigawatt Zubau werden 25.000 bis 35.000 Quadratmeter katalysatorbeschichtete Membran benötigt. Mit heutigen Verfahren sind diese Mengen laut Fraunhofer ISE nicht wirtschaftlich herstellbar.
Die Produktionsforschung am Fraunhofer ISE umfasst die gesamte MEA-Wertschöpfungskette – vom Katalysatorpulver bis zur siebenlagigen MEA. Diese besteht aus einer zentralen Membran, zwei Katalysatorschichten, Verstärkungsrahmen und Gasdiffusionslagen. Untersucht werden unter anderem Mischverfahren für Katalysatortinten, neue Materialien und angepasste Rezepturen.
Ein zentraler Prozessschritt ist die Herstellung der Katalysatorschichten. Diese können entweder direkt auf die Membran oder auf eine Transferfolie aufgebracht werden. Neben dem etablierten Schlitzdüsenverfahren testet das Fraunhofer ISE auch Rotationsdruck und indirekten Tiefdruck. Ziel ist es, auch strukturierte MEAs mit neuen Verfahren herstellen zu können.
Inline-Qualitätskontrolle und Teststände
Die Pilotanlage ist mit Messtechnik zur Inline-Qualitätskontrolle ausgestattet. Ein Track-&-Trace-System ermöglicht es, Veränderungen im Produktionsprozess und deren Auswirkungen auf spätere Schritte oder die Produktqualität nachzuvollziehen. „Trotz des durchlaufenden Prozesses können wir Veränderungen im Produktionsprozess und deren Auswirkungen auf spätere Prozessschritte oder die Produktqualität nachvollziehen“, sagt Projektleiterin Linda Ney.
Die gefertigten MEAs werden in Brennstoffzellen unter variierenden Betriebsbedingungen getestet. Auch Elektrolyse-MEAs – sowohl mit Protonen- als auch mit Anionenaustauschmembran – können auf der Anlage produziert und untersucht werden.
Die komplette Produktionskette wird 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“, sagt Ulf Groos, Abteilungsleiter Brennstoffzelle am Fraunhofer ISE.
