R2MEA – Serienproduktion von mobilen Brennstoffzellen: Forschungsplattform für die Rolle-zu-Rolle-Produktion von MEAs

Laufzeit: 05/2022 - 11/2025
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV)
Kooperationspartner: Fraunhofer ENAS, Fraunhofer ICT, Fraunhofer ILT, Fraunhofer IPT, Fraunhofer ISI
Projektfokus:          
Vollformat-Katalysatorschicht auf Decal-Transfer-Folie nach dem Trocknungsprozess in einem Durchlaufkonvektionstrockner.
© Fraunhofer ISE
Vollformat-Katalysatorschicht auf Decal-Transfer-Folie nach dem Trocknungsprozess in einem Durchlaufkonvektionstrockner.

Im Projekt »R2MEA« werden innovative Produktionsverfahren für die Herstellung der Kernkomponente von Brennstoffzellen, der Membran-Elektroden-Einheiten (MEA), erforscht. »R2MEA« ist ein Teilvorhaben des Verbundprojekts »H2GO – Nationaler Aktionsplan Brennstoffzellen-Produktion« von 19 Fraunhofer-Instituten zur Förderung des Hochlaufs der Brennstoffzellenproduktion für den Schwerlastverkehr in Deutschland. 

Für den Schwer- und Nutzfahrzeugsektor stellen neben batterieelektrischen Antrieben auch Niedertemperatur-Brennstoffzellen eine Möglichkeit zur Umstellung auf emissionsfreie Antriebe dar. Das erwartete Produktionsvolumen für das elektrochemische Herzstück der Brennstoffzelle, der MEA, liegt bei bis zu 240 Mio. Stück p.a., was mit heutigen Herstellungsverfahren jedoch nicht erreichbar ist. Um den Markterwartungen gerecht zu werden, müssen daher bestehende Anlagenkonzepte angepasst und skalierungsfähige Produktionsmethoden entwickelt werden.

Um Komponentenhersteller und Maschinen- und Anlagenbauer bei der Hochskalierung der Brennstoffzellenproduktion zu unterstützen, untersucht das Forschungskonsortium »R2MEA« unter der Koordination des Fraunhofer ISE Herstellungsprozesse und Komponenten. Es wird eine Forschungsplattform entwickelt und aufgebaut, die Unternehmen bei Produktionsfragestellungen von der Katalysatorherstellung bis zur fertig konfektionierten 7-Lagen MEA (also dem Verbund aus Membran, Katalysatorschichten, Verstärkungsrahmen und Gasdiffusionslagen) zur Verfügung steht.

Katalysatortinte wird via Schlitzdüse auf eine Decal-Transfer-Folie aufgebracht.
© Fraunhofer ISE
Katalysatortinte wird via Schlitzdüse auf eine Decal-Transfer-Folie aufgebracht.

Fragen, die in R2MEA adressiert werden:

  • Wie kann die heutige Herstellung von Katalysatorpulver von Batch-Prozessen auf kontinuierliche Prozesse umgestellt werden?
  • Sind neben der heute vorrangig eingesetzten Schlitzdüse auch rotative Druckverfahren zum Aufbringen von Katalysatorschichten sinnvoll? Ist ein Direktdruck auf die Membran bei der geforderten hohen Qualität möglich? Können Lasertrocknungsverfahren die Trocknungsdauer und Trocknerlänge verkürzen?
  • Wie können in Rolle-zu-Rolle-Prozessen die Zuschnitte von Membran, Katalysatorschichten, Verstärkungsrahmen, Gasdiffusionslagen erfolgen? Welche Positionierungs- und Laminierverfahren sind geeignet, um hochqualitative Verbünde der Einzellagen zu erzeugen?
  • Wie sollten Transportbehälter für die Halbzeuge für die Intra- und externe Logistik gestaltet werden?

In »R2MEA« werden innovative Produktionsverfahren und neue Anlagenkonzepte entwickelt, welche die Membranbeschichtung, die Vereinzelung, die Applikation des Verstärkungsrahmens, und die Vereinzelung der Gasdiffusionslage als hochratenfähigen Rolle-zu-Rolle-Prozess darstellen können. Insbesondere sollen zukünftig zu erwartende Anforderungen hinsichtlich strukturierter MEAs durch neuartige Produktionsprozesse ermöglicht werden und somit die Produktionstechnik von Übermorgen vorbereitet werden. Hierzu wird die komplette Produktionskette an Pilotanlagen in einem Technikum am Fraunhofer ISE erforscht.

Begleitend zum Aufbau der Forschungsplattform führt das Fraunhofer ISE umfangreiche Marktstudien zu den Industriebedarfen, techno-ökonomische Analysen zur Wirtschaftlichkeit verschiedener Produktionsprozesse sowie Lebenszyklusanalysen zum ökologischen Fußabdruck durch. Etwa trägt die Etablierung innovativer Beschichtungsverfahren, die anstelle des üblichen Transferverfahrens eine Direktbeschichtung der Membran ermöglichen, aufgrund eines effizienteren Materialeinsatzes zur Kostensenkung bei.

Das Verbundprojekt richtet sich insbesondere an kleine und mittelständische Unternehmen in der gesamten Wertschöpfungskette der Brennstoffzellen-Produktion – von der Fertigungstechnologie über den Maschinen- und Anlagenbau bis hin zur fahrzeugseitigen Anwendung im Schwerlastverkehr.

 

»R2MEA« ist ein Teilverbund von »H2GO – Nationaler Aktionsplan Brennstoffzellen-Produktion«. Der Gesamtverbund H2GO wird im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie mit rund 80 Mio. Euro durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert. Die Förderrichtlinie wird von der NOW GmbH koordiniert und durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema:

Arbeitsgebiet

Produktion von Brennstoffzellen

Geschäftsfeldthema

Brennstoffzelle

Geschäftsfeld

Wasserstofftechnologien