QUALLE – Qualitätssicherung in der industriellen Produktion von Brennstoffzellen CCMs

Das Projekt »QUALLE« (QUALitätssicherung in der industriellen Produktion von BrennstoffzelLEn-CCMs) ist ein HyFab-Projekt und bringt Partner aus Industrie und Forschung mit diversen Kompetenzen für die Qualitätssicherung (QS) zu PEM-Brennstoffzellen zusammen. Das Projekt unterstützt die Weiterentwicklung der großtechnischen Herstellung der Catalyst Coated Membrane (CCM), des Herzstücks der PEM-Brennstoffzelle, indem es eine systematische Prüfung ermöglicht und Analysemethoden dafür zur Verfügung stellt. Offline-QS findet im Anschluss an die Produktion statt, Inline-QS am Band während der automatisierten Produktion und At-line-QS sind Messungen außerhalb der Linie aber mit produktionskompatiblen Messzeiten und -bedingungen. Das Projekt entwickelt und validiert Methoden für jede der Qualitätssicherungsmaßnahmen. Ausführliche Versuchsreihen mit unterschiedlichen Defekten in unterschiedlichen Defektausprägungen sollen dank QUALLE eine valide Einschätzung zu Gutteil-Schlechtteil ermöglichen und somit den Ausschuss signifikant senken. 

Kernelement der PEM-Brennstoffzelle ist die Catalyst Coated Membrane (CCM), also die beidseitig mit Katalysatorschicht ausgerüstete Polymerelektrolytmembran (PEM). Um den avisierten Markthochlauf für Brennstoffzellen zu erreichen, sind automatisierte Prozesse auf Basis von Rolle-zu-Rolle-Anlagen (R2R) erforderlich. Allerdings können während der Herstellung von CCMs verschieden geartete Fehler entstehen, deren sichere Detektion von entscheidender Bedeutung für eine hohe Produktionsausbeute ausfallfreier Devices ist - entsprechend den Qualitätsanforderungen der Automobilindustrie.

Im Produktionsprozess für CCM stehen die einzelnen Lagen (insbesondere Membran und Katalysatorschicht) in verschiedenen Prozessstadien im Fokus. Einzelne Fehler in einer CCM können einen Komplettausfall eines ganzen Brennstoffzellenstapels verursachen, der aus bis zu 400 CCMs bestehen kann. Es gibt momentan noch keine ausreichend validierten Messverfahren für die automatisierte Produktion, um den Herstellungsprozess der CCMs und ihrer Vorstufen zerstörungsfrei auf die Vielfalt der Fehler mit den geforderten hohen Prozessgeschwindigkeiten zu untersuchen. Darüber hinaus sind die Auswirkungen von Fehlern (Effects of Defects) in unterschiedlichen Ausprägungen noch in weiten Teilen unbekannt. Es ist deshalb in vielen Fällen noch unmöglich, die Ausfallwahrscheinlichkeit einer CCM-Komponente und damit den Ausfall eines ganzen Brennstoffzellenstapels auf Basis des Fehlerbilds verlässlich vorherzusagen.

Im Projekt sollen Spezifikationen auf Basis des Verhaltens einzelner CCM-Komponenten im Einzelzellbetrieb entwickelt werden. So sollen Erkenntnisse zur Fehler-Spezifikation als Go/No-Go-Kriterium für die geplante Methodenweiterentwicklung dienen. Die Entwicklung entsprechend geeigneter Analyse- und QS-Methoden ist Projektziel in »QUALLE«.