TiKaBe – Tintenentwicklung für die Brennstoffzellen-Katalysatorbeschichtung

Der Markthochlauf der Protonen-Austausch-Membran (PEM) Brennstoffzellentechnologie erfordert neue Konzepte zur Herstellung der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) mit geringeren Taktzeiten bei gesteigerter Ressourceneffizienz. Nur so können die industriell geforderten Stückzahlen bei den angestrebten Kostenzielen erreicht werden. Dazu müssen geeignete, hochratenfähige Beschichtungsprozesse entwickelt und etabliert werden. Im Projekt »TiKaBe« (Tintenentwicklung für die Brennstoffzellen-Katalysatorbeschichtung) entwickelt und validiert das Fraunhofer ISE Katalysatortinten für hochskalierbare, industrielle Beschichtungsprozesse.Das Projekt ist in den Projektverbund HyFab eingegliedert, der für die Automobil- und Zuliefererindustrie eine Know-how-Basis schaffen soll, um Technologien zur Brennstoffzellenfertigung erforschen zu können.

Brennstoffzellen sind eine Schlüsseltechnologie für die zukünftige Wasserstoffwirtschaft. Nach Jahrzehnten der Forschung und Entwicklung beginnt jetzt die Phase der Industrialisierung. Insbesondere im Schwerlastverkehr ist eine starke Nachfrage nach Brennstoffzellen-Technologien zu verzeichnen. Diese Nachfrage ist global ausgeprägt, was ein hohes Marktvolumen mit entsprechend hohen Stückzahlen zur Folge hat.

Bezogen auf die MEA, dem elektrochemischen Herzstück der Brennstoffzelle, bedeutet dies, dass langlebige Membranelektrodeneinheiten mit niedrigen Edelmetallgehalten entwickelt werden müssen. Dies erfordert hochskalierbare, industrielle Beschichtungsprozesse. Neben der heute etablierten Schlitzdüsenbeschichtung, die insbesondere hinsichtlich sehr homogener, kontinuierlicher Beschichtungen prädestiniert ist, sind zukünftig auch Druckprozesse wie Inkjet, Gravur- und Siebdruck interessant, weil sie strukturierte Schichten ermöglichen.

Im Projekt sollen zunächst Katalysatortinten entwickelt und validiert werden (TRL = 6), welche für die genannten Beschichtungsprozesse geeignet sind. Die entwickelten Tinten werden durch die Herstellung von Katalysatorschichten, katalysatorbeschichteten Membranen (CCMs) und MEAs im Labor und die anschließende Charakterisierung der Komponenten in Brennstoffzellenprüfständen validiert. Schließlich werden ausgewählte Tintenformulierungen in den industriellen Maßstab überführt.

Das Fraunhofer ISE verfügt über gut entwickelte Tinten-/Pastenproduktionslabore (ausgestattet mit Gloveboxen, Abzügen, Tintencharakterisierungsgeräten, uvm.) und über umfangreiches Wissen und Erfahrung in der Formulierung von Katalysatortinten.

Die flexible CCM-Produktions- und Prozessentwicklungsinfrastruktur ist auf verschiedene Materialien im Technikum-Labormaßstab anpassbar, sodass die entwickelten Katalysatortinten auf CCM- und MEA-Ebene evaluiert werden können.

Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Katalysatortinten für verschiedene Beschichtungsverfahren sowie für die jeweilige Trocknung. Darüber hinaus zielt das Projekt darauf ab, eine stabile Benetzung von Abziehbild-/Transferfolien und -membranen (Direktbeschichtung) und eine schnelle Trocknung (weniger als eine Minute) zu erreichen.

Das so generierte Know-how soll dabei helfen, dass deutsche Zulieferer aus dem Anlagenbau, aus der Materialfertigung und MEA-Hersteller auf dem international umkämpften Markt der MEA-Produktion eine Spitzenposition einnehmen können.

Das Projekt »TiKaBe« (Tintenentwicklung für die Brennstoffzellen-Katalysatorbeschichtung) wird im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie mit insgesamt 1.344.738,00 Euro durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert. Die Förderrichtlinie wird von der NOW GmbH koordiniert und durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.