Wie Brennstoffzellen produziert werden

Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheit fertigen, Brennstoffzellen zu Stacks stapeln und Assemblierung zum Gesamtsystem – das sind die wesentlichen Schritte in der Herstellung von Brennstoffzellensystemen.

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Für den Schwerlast-, Schienen- und Schiffsverkehr gilt die Brennstoffzelle als eine der vielversprechendsten Antriebsoptionen. Noch sind die produzierten Stückzahlen zwar gering und die Herstellung stark von Handarbeit geprägt, doch die Nachfrage dürfte in den kommenden Jahren massiv steigen – und damit auch der Bedarf an deutlich höheren Fertigungskapazitäten. Um jährlich 15 bis 30 % dürfte der globale Brennstoffzellen-Markt in den nächsten Jahren wachsen, wie Forschende des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung ISI im Rahmen einer Metastudie herausgefunden haben. Unter den verschiedenen Brennstoffzellentechnologien, die sich durch die Wahl des Elektrolyten unterscheiden, eignet sich besonders die Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle für Anwendungen im Verkehr.

Weltweit bringen sich deswegen Firmen in Position, um rechtzeitig über die erforderlichen Produktionskapazitäten zu verfügen. Noch bis Ende des Jahrzehnts könnte laut Fraunhofer ISI die jährlich etwa 300 Millionen PEM-Brennstoffzellen produziert werden. In einem Lkw-Antrieb werden jeweils etwa 1.200 Brennstoffzellen verbaut. Für den Übergang von der manuellen hin zur Großserienproduktion empfehlen die Autoren um Heiner Hans Heimes von der RWTH Aachen dabei folgende Ansätze:

• Parallelisierung von Fertigungsabschnitten
• stärkere Automatisierung
• Modularisierung des Produktdesigns
• Reduzieren der Teilezahl

Die Herstellung von Brennstoffzellen beginnt dabei grundsätzlich mit der Fertigung von Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten, dem Stapeln der Brennstoffzellen zu Stacks und der Assemblierung zum Gesamtsystem.

Bipolarplatte

Die Bipolarplatte wird aus Bandmetall gefertigt, das zunächst eine Korrosionsschutzschicht erhält. Zum Einsatz kommt dabei die physikalische Gasphasenabscheidung (Physical Vapor Deposition, PVD): Das Rohmaterial kommt in eine mit Argon-Gas gefüllte Vakuumkammer, wo sich, unter Wirken eines elektrischen Felds, Atome eines ebenfalls in der Kammer befindlichen Beschichtungsmaterials auf der Bandoberfläche niederschlagen.

In einem Umformprozess werden anschließend die Flowfields auf das Bandmaterial eingeprägt. Gängige Verfahren dafür sind das Sheet-Hydroforming – hier presst ein Fluid die Platte unter Drücken von bis zu 4.000 bar in eine Matrize – und das Stanzen, das in der Regel mehrstufig abläuft.

Die Bipolarplatten werden im nächsten Schritt vereinzelt, bevor jeweils zwei halbe Platten auf der Kühlmittelseite über ihren äußeren Umfang per Laserschweißen miteinander verbunden werden. Die Dichtheit des Innenraums – hier befindet sich später das Kühlmittel – wird anschließend mittels Akkumulations- oder Vakuumtests auf Dichtheit geprüft, bevor die Flowfields auf beiden Seiten der Bipolarplatte eine Dichtung erhalten, die per Siebdruckverfahren oder Dispenser aufgebracht wird.

Membran-Elektroden-Einheit

Die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) besteht aus einer katalysatorbeschichteten Membran, die beidseitig mit je einer Gasdiffusionsschicht verbunden ist.

Zunächst wird die Katalysatorschicht auf eine Polymermembran aufgetragen. Dafür wird das sogenannte Katalysator-Slurry – Katalysatorpulver, Ionomer und Lösungsmittel – gemischt, auf eine Trägerfolie (Decal) aufgebracht, getrocknet und ausgehärtet. Per Heißpressen bei 140 °C wird der Katalysator dann auf die Polymermembran übertragen und die Trägerfolie entfernt. In einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren werden anschließend PET-Folien (Sugasket) beidseitig auf die Membran appliziert, bevor sie vereinzelt und erneut heißgepresst werden.

Die Gasdiffusionslage besteht im Wesentlichen aus Karbonpapier. 6 bis 12 mm lange PAN-fasern werden dafür zu einem Nassvlies verarbeitet, getrocknet und kalandriert, bevor das fertige Papier in ein Harzbad getaucht wird. Bei Temperaturen zwischen 1.400 und 3.000 °C wird der Kohlenstoff anschließend graphitiert. Damit die Gasdiffusionslage möglichst wasserabweisend wirkt, wird sie mit einer PTFE-Lösung benetzt und dann gesintert. Eine 50 µm dünne mikroporöse Schicht wird anschließend – meist per Rakel – aufgebracht, getrocknet und die gesamte Gasdiffusionslage erneut gesintert.

Im Heißpressverfahren wird anschließend die katalysatorbeschichte Membran beidseitig mit je einer Gasdiffusionslage gefügt, wodurch die Membran-Elektroden-Einheit entsteht.

Brennstoffzellen-Stack

Auf eine Endplatte und einem daran montierten Stromkollektor werden alternierend Bipolarplatten und MEA gestapelt und abschließend mit einem zweiten Stromkollektor und der Verteilplatte belegt, die die Medienanschlüsse enthält. Mit einer Presskraft von 40 bis 60 kN wird der Stapel dann komprimiert und mithilfe von Gewindestangen, Spannbändern oder spannungstragenden Gehäusen verspannt. In Druckabfall- und Durchflusstests werden die Stacks auf Dichtheit geprüft, bevor letzte Peripheriekomponenten für die Spannungsüberwachung oder die Stromsammelschiene montiert werden. Zum Einfahren (Break-in) wird der Stack zunächst mit Reaktionsmedien gefüllt, bevor er er verschiedenen Last- und Betriebszyklen unterzogen wird. Dabei werden unter anderem die Membran initial befeuchtet und Verunreinigungen im Katalysator entfernt.

Aufbau des Gesamtsystems

Im letzten Schritt werden zunächst Peripheriekomponenten (Balance-of-Plant) wie Luftbefeuchter, Verdichter oder Rezirkulationsgebläse ans Stack montiert und die Verkabelung angeschlossen, die die Brennstoffzelle später mit dem Antriebsstrang und den Steuergeräten oder Niedervoltstromkreisen verbindet. An einem Prüfstand werden dem Brennstoffzellensystem anschließend Medien zugeführt, bevor es unter elektrischer Last Funktions- und Leistungstests unterzogen wird. Mithilfe von Wasserstoffgemischen oder Helium wird das System zudem auf Dichtheit geprüft. Besteht das Brennstoffzellensystem auch die abschließende optische Prüfung, ist es für den Einsatz im Fahrzeug freigegeben.