Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE| Laufzeit: | 01/2024 - 07/2026 |
| Auftraggeber / Zuwendungsgeber: |
Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg |
| Kooperationspartner: |
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| Projektfokus: |       |
HyFaB3 – Produktionsforschung für membranbasierte Wasserstofftechnologien
Ziel des Projekts »HyFaB3« ist die Entwicklung von Referenzherstellungsprozessen für katalysatorbeschichtete Membranen (Catalyst Coated Membrane, CCM) zur Optimierung von Elektrolyse- und Brennstoffzellentechnologien. »HyFaB3« fungiert als Forschungs- und Technologieplattform zur Optimierung des Materialeinsatzes ressourcenkritischer Komponenten. Ein zentrales Ziel besteht darin, die Zellfläche zu skalieren, den Edelmetallgehalt zu reduzieren und die Durchsatzraten zu erhöhen, um den Markthochlauf von CCMs zu unterstützen. Darüber hinaus entwickelt das Fraunhofer ISE die in den vorhergehenden HyFaB-Projekten aufgebaute teilautomatisierte Produktionslinie zur Herstellung von Vollformat-Membranelektrodeneinheiten für PEM-Brennstoffzellen im Bereich des Schneidens und Laminierens weiter.
Herausforderung
In Elektrolyseuren wird Wasser mittels elektrischer Energie in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Wasserstoff und Sauerstoff wiederum können in einer Brennstoffzelle in elektrische Energie und Wasser umgewandelt werden. Beide Technologien sind für die Wasserstoffwirtschaft unverzichtbar, doch teure Materialien und fehlende Industrialisierungsprozesse erschweren die flächendeckende Marktdurchdringung. Um die Herstellungskosten zu senken, müssen unter anderem die Verarbeitungsprozesse für das »Herzstück« beider Technologien, die katalysatorbeschichtete Membran (CCM), optimiert werden. Diese besteht aus einer Ionenaustausch-Membran, die beidseitig mit zwei Elektroden (Anode und Kathode) beschichtet ist.
Die Herstellung einer CCM erfolgt in vier Schritten:
- Dispergieren der Katalysatortinte (Katalysatorpulver, Ionenaustausch-Polymer, Lösemittel)
- Drucken der Katalysatortinte zu einer dünnen Katalysatorschicht auf Transferfolie oder direkt auf die Membran
- Trocknen der Katalysatorschicht
- Transfer der Katalysatorschichten (Anode und Kathode) auf die Mambran durch Heißpressen
Damit die CCM in einen Elektrolyseur oder eine Brennstoffzelle integriert werden kann, muss sie zugeschnitten, laminiert und zusammen mit Gasdiffusionslagen bzw. porösen Transportschichten assembliert werden. Jeder Schritt hat einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der CCM und muss einzeln optimiert werden.
Abbildung 1: Querschnittsaufnahmen mit dem Raster-Elektronen-Mikroskop (SEM) von anodischen Katalysatorschichten mit reduziertem Edelmetallgehalt.
Abbildung 2: Herstellungsprozess von katalysatorbeschichteten Membranen (Catalyst Coated Membrane, CCM) mit skalierter Fläche (600 cm2) mittels Siebdruckverfahren.
Unsere Leistungen
Das Projekt Hyfab3 betrachtet die gesamte Wertschöpfungskette der MEA-Herstellung, von der Katalysatortinte bis hin zum Laminieren der MEA. Im Front-End-Bereich wird das Produktions-Know-how sowie die aufgebaute Technologieplattform für PEM-Brennstoffzellen aus den HyFaB-Vorgängerprojekten auf die membranbasierte Elektrolyse übertragen. Dabei werden hochskalierbare Drucktechnologien wie Siebdruck (geeignet für Sheet-to-Sheet-Produktion) und Schlitzdüse (geeignet für Rolle-zu-Rolle-Produktion) untersucht, mit dem Ziel, eine Vergrößerung der Zellfläche für industrierelevante Stacks zu erreichen und die Gesamt-Edelmetallbeladung auf < 0,3 mg/cm² zu reduzieren, ohne das Leistungsverhalten zu beeinträchtigen. Beide Druckverfahren werden für CCMs zur Wasserstofferzeugung sowohl mit sauren (Proton Exchange Membrane, PEM) als auch mit basischen (Aniona Exchange Membrane, AEM) Membranen untersucht. Schließlich werden Schneid- und Laminierprozesse für vollformatige MEAs für die Brennstoffzelle erweitert und optimiert.
Ergebnisse
Es ist uns bereits gelungen, Elektroden mit einer Dicke von ca. 0,5 µm und einem Edelmetallgehalt von unter 0,1 mg Iridium/cm2 mit skalierbaren Druckmethoden wie Schlitzdüse herzustellen (Abbildung 1). Außerdem wurden Bereits CCMs mit einer aktiven Fläche von 600 cm2 hergestellt (Abbildung 2).
Zielsetzung
Das Projekt HyFaB3 fokussiert sich auf die Hochskalierung von Produktionsverfahren und unterstützt Marktteilnehmer in ihrer Produktionsentwicklung. Es trägt zur Verbesserung der Produktionsstandards und zur Etablierung einer Fertigung von Elektrolyse- und Brennstoffzellen-Komponenten in Deutschland bei. Die Ergebnisse sind für Materialzulieferer, Anlagenhersteller, Produktionsunternehmen und Forschungsinstitutionen zugänglich, um die Produktionsforschung voranzutreiben.
Das Projekt »HyFaB3« wird mit 2.097.157,04 € durch das Land Baden-Württemberg gefördert. Die Förderrichtlinie wird durch den Projektträger Karlsruhe umgesetzt.
