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

Im Projekt »R2MEA« wurden innovative Produktionsverfahren für die Herstellung der Kernkomponente von Brennstoffzellen, der Membran-Elektroden-Einheiten (MEA), erforscht. Dabei wurden Laborprozesse und insbesondere industrielle Rolle-zu-Rolle-Prozesse betrachtet. »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.

Ausgangslage

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 für 20.000 LKW mit je 400 Zellen bei 8 Mio. Stück p.a., was mit heutigen Herstellungsverfahren nicht erreichbar ist. Um den Markterwartungen gerecht zu werden, müssen daher bestehende Anlagenkonzepte angepasst und skalierungsfähige Produktionsmethoden entwickelt werden.

Ziel

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

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

Lösungsansatz

Im Rahmen von »R2MEA« wurden folgende Fragen adressiert:

• 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?
• Wie können in Rolle-zu-Rolle-Prozessen die Zuschnitte von Membran, Katalysatorschichten, Verstärkungsrahmen und 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?

Ergebnisse

In »R2MEA« wurden innovative Produktionsverfahren und neue Anlagenkonzepte entwickelt. Dadurch sind Membranbeschichtung und -trocknung nun mittels Transferroute oder Direktbeschichtung möglich. Die Vereinzelung sowie die Applikation des Verstärkungsrahmens und die Vereinzelung der Gasdiffusionslage lassen sich nun als hochratenfähige Rolle-zu-Rolle-Prozesse darstellen. Zusätzlich wurden industrielle Prozesse zur Herstellung von Katalysatortinten untersucht. Hierzu wurde die komplette Produktionskette an Pilotanlagen in einem Technikum am Fraunhofer ISE erforscht.

Begleitend zum Aufbau der Forschungsplattform führte das Fraunhofer ISE umfangreiche techno-ökonomische Analysen zur Wirtschaftlichkeit verschiedener Produktionsprozesse sowie Lebenszyklusanalysen zum ökologischen Fußabdruck durch. Unsere Analysen ergaben, dass unter anderem die Etablierung innovativer Beschichtungsverfahren, die anstelle des üblichen Transferverfahrens eine Direktbeschichtung der Membran ermöglichen, aufgrund eines effizienteren Materialeinsatzes und einer verbesserten elektrochemischen Leistung zur Kostensenkung beitragen.

Das Projekt »R2MEA«  wird vom Bundesministerium für Verkehr gefördert.