Neue Produktionsverfahren für Membran-Elektroden-Einheiten

Brennstoffzellen und Elektrolyseure sind zentral für eine klimafreundliche Energieversorgung. Das Fraunhofer ISE zeigt mit einer neuen Plattform, wie Membran‑Elektroden‑Einheiten effizient und in hoher Qualität produziert werden können.

Die Umstellung insbesondere des Schwer- und Nutzfahrzeugsektors auf emissionsfreie Antriebe treibt die Nachfrage nach Brennstoffzellen. Damit steigt auch der Bedarf an leistungsfähigen Elektrolyseuren für die Energiewirtschaft.

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat hierfür eine flexible Forschungsplattform zur Produktionsforschung von Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) aufgebaut. Von ihr profitieren sowohl Komponentenhersteller als auch Maschinen- und Anlagenbauer. Im Fokus stehen innovative, kontinuierliche Prozesse wie das Rolle-zu-Rolle-Verfahren, das hohe Durchsatzraten und deutliche Kostensenkungen ermöglicht. Analysiert wird die gesamte Wertschöpfungskette einschließlich der Qualitätskontrolle.

Plattform für den Markthochlauf

Getrieben durch die Forderung nach emissionsfreiem Schwer- und Nutzlastverkehr investieren Lkw-Hersteller verstärkt in Brennstoffzellenantriebe. Für 20.000 Lkw werden jährlich rund 1,2 Mio. m² aktive MEA-Fläche benötigt – pro Fahrzeug etwa 30 m² Membran- und 60 m² Katalysatorschicht. Auch der Hochlauf der Elektrolyse verlangt nach großen Mengen: Pro Gigawatt Zubau fallen 25.000 bis 35.000 m² katalysatorbeschichtete Membran an. Mit heutigen Verfahren lassen sich solche Volumina nicht bewältigen. Daher müssen Produktionsanlagen skaliert und neue Methoden entwickelt werden.

Die Produktionsforschung am Fraunhofer ISE umfasst den gesamten Fertigungsprozess: vom Katalysatorpulver über verschiedene Mischverfahren und neue Materialien bis hin zur siebenlagigen MEA aus Membran, zwei Katalysatorschichten, Verstärkungsrahmen und Gasdiffusionslagen. Ziel ist es, in kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Prozessen eine Durchlaufgeschwindigkeit von zehn Metern pro Minute zu erreichen, um industriegerechte Stückzahlen zu ermöglichen.

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

Druckverfahren von morgen

Ein zentraler Schritt ist die Herstellung der Katalysatorschichten, die entweder auf Transferfolien oder direkt auf die Membran aufgebracht werden. Neben dem etablierten Schlitzdüsenverfahren können dank modularer Einheiten auch Rotationsdruck und indirekter Tiefdruck eingesetzt werden. Dadurch lassen sich zukünftige Anforderungen an strukturierte MEAs umsetzen und „die Produktionstechnik von übermorgen“ vorbereiten. Die Pilotanlagen eignen sich zudem für Elektrolyse-MEAs – sowohl für Protonen- als auch für Anionenaustausch-Membranen.

Für eine zuverlässige Qualität auch bei hohem Durchsatz sorgen integrierte Messtechnologien zur Inline-Kontrolle sowie eine umfassende Analytik. „Selbst im durchlaufenden Betrieb können wir Veränderungen im Produktionsprozess und deren Auswirkungen auf spätere Schritte oder die Produktqualität nachvollziehen. Dafür nutzen wir ein Track-&-Trace-System, das regelmäßig Markierungen an den Produkten setzt“, erläutert Projektleiterin Linda Ney. Anschließend werden die gefertigten MEAs unter verschiedenen Betriebsbedingungen in Brennstoffzellen getestet, um ihre Leistungsfähigkeit zu validieren.