Industrienahe MEA-Produktionsprozesse für PEM-Wasserelektrolyse und -Brennstoffzellen

Die PEM-Elektrolyse zur Wasserstofferzeugung aus Erneuerbaren Energien sowie die PEM-Brennstoffzelle als elektrisches Antriebsaggregat für den Schwerlastverkehr, für (Reise-) Busse, Züge, Schiffe und sogar Flugzeuge sind entscheidende Technologien für die Klimawende in Deutschland, Europa und der Welt. Im Projekt »TIRAMISU« untersucht das Fraunhofer ISE auf einer einzigartigen Rolle-zu-Rolle-Forschungsplattform industrienahe Produktionsprozesse zur Herstellung von Membranelektrodeneinheiten (MEAs) für die PEM-Wasserelektrolyse sowie für die Brennstoffzelle. Im Fokus stehen die Effekte der Prozessführung, die im Hinblick auf die erzeugten Mikrostrukturen und die daraus resultierenden Leistungs- und Alterungseigenschaften betrachtet werden sollen. Damit wird die zentrale Frage adressiert, wie die Prozessparameter einer industriellen Serienfertigung die Qualität der MEA beeinflussen.

Ausgangslage

Die Produktion der MEA erfolgt heute in der Regel in semiautomatisierten Prozessen. Diese unterscheiden sich jedoch von zukünftig benötigten Industrieprozessen, die für einen hohen Durchsatz mit minimalem Ausschuss ausgelegt sind. Zudem werden die Herstellungsprozesse in den produzierenden Unternehmen streng vertraulich behandelt, so dass kaum Lerneffekte für die gesamte Branche aus der Industrialisierung bei einzelnen Unternehmen entstehen. »TIRAMISU« schafft über die einzigartige Produktionsforschung mit industrienahen Anlagen einen breiten, vorurteilsfreien Zugang insbesondere der deutschen und europäischen Industrie zum entsprechenden Stand der Wissenschaft.

Ziel

Mit Hilfe grundlegender, wissenschaftlicher Methoden sollen Produktionsprozesse betrachtet werden, die zukünftig die Basis der industriellen Herstellung von Membranelektrodeneinheiten für Elektrolyse und Brennstoffzelle darstellen können. Dabei werden die Zusammenhänge der Prozessführung innerhalb der Prozesskette – von der Katalysatortintenanmischung über Beschichtung, Trocknung und ggf. Decalfolientransfer bis hin zur MEA-Herstellung – im Hinblick auf die erzeugten Mikrostrukturen und die damit zu erzielenden Leistungs- und Alterungseigenschaften untersucht.
 

Lösungsansatz

»TIRAMISU« betrachtet die Wirkzusammenhänge zwischen Prozessführung, den erzeugten Mikrostrukturen und dem daraus resultierenden Betriebsverhalten (Leistung und Alterung) bei der industriellen Rolle-zu-Rolle- (R2R) Fertigung von Membranelektrodeneinheiten. Dazu werden für die globale Elektrolyse- und Brennstoffzellenforschung einzigartige industrielle Fertigungsanlagen zur Anmischung von Katalysatortinten, zur Katalysatorbeschichtung, Trocknung, Transfer und Converting (5-Lagen-MEA-Herstellung) eingesetzt.

Durch Variation der Prozesstechnologien sowie der Prozessparameter werden Effekte auf die erzeugten Mikrostrukturen in den katalysatorbeschichteten Membranen (CCMs) und 5-Lagen-MEAs (CCM mit beidseitig auflaminierten Subgaskets) evaluiert. Anschließend sollen die hergestellten MEAs in-situ auf ihr Betriebs- und Degradationsverhalten in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen charakterisiert werden. Die erzeugten experimentellen Daten werden zum Training von Modellen aus neuronalen Netzwerken für das maschinelle Lernen (ML) genutzt. Über diese Methoden der künstlichen Intelligenz sollen Informationen zu multiphysikalischen Prozessen gewonnen werden, deren experimentelle Untersuchung zu aufwändig und kostspielig ist.

Das Projekt »TIRAMISU« wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert.